中温固体氧化物燃料电池多物理场模拟与性能优化

论文摘要

固体氧化物燃料电池尤其是中温平板式固体氧化物燃料电池被认为是最有商业化前景的燃料电池,它是一种清洁、高效的化学能到电能转化装置。除了一般燃料电池高能源转化效率的优点外,相比于低温燃料电池,固体氧化物燃料电池一个突出优点是它可以直接使用传统化石能源或生物质能源转换出来的碳氢化合物做为燃料。要达到商业化的要求,固体氧化物燃料电池还需要在降低制造成本,提高单电池、电池堆性能,延长使用寿命等方面有进一步的突破。固体氧化物燃料电池实验研究周期较长,花费高,在提高电池性能方面的研究中一般只能针对某几个参数进行非连续的少量采点的调整优化,以获得更高的性能。理论研究可以对各个可能影响电池性能的参数进行细密的采点优化,更加快速地获得最优工程设计方案。有限元方法与现代计算机技术结合的数值模拟方法使我们能够对燃料电池这种复杂的多物理体系进行耦合模拟,给出实验方法无法测量到的电池内部运行细节,进行快速的优化设计。本论文的主要内容是使用有限元方法为中温固体氧化物燃料电池建立二维、三维模型,给出电池运行时内部的电势,电流密度,各气体成分的浓度等物理场的分布,并以提高电池堆性能为目标对电池的相关几何参数进行合理的优化。本论文共有六章,前两章分别介绍了研究对象固体氧化物燃料电池和本论文建模过程中采用的理论方法和模拟工具。第三章开始到第五章介绍了三个模拟工作,第三章是关于常规固体氧化物燃料电池的二维电池堆模拟,第四章是关于多层电极固体氧化物燃料电池的二维单电池、电池堆模拟,第五章则是关于常规固体氧化物燃料电池的三维模拟。第六章是本论文的总结。下面对各章的内容做简要的介绍。第一章首先简要回顾了固体氧化物燃料电池的研究背景和几种常见结构,接着对组成电池的各部分的材料进行了总结,然后又简要分析了平板式电池堆的结构。最后介绍了固体氧化物燃料电池的热力学原理,电化学原理以及电池效率的评价方法。第二章首先对关于固体氧化物燃料电池的理论模拟工作做了一个文献综述,接着对影响电池性能的各种电池内部电压损失进行了介绍,并给出了达到电势平衡的模型设置方式。然后详细描述了物质传输的各种方式以及理论模型。本章最后介绍了有限元多物理场模拟工具COMSOL。第三章为平板式SOFC电池堆建立的二维模型中考虑了连接板跟电极之间的接触电阻,多孔介质中气体的传输,电池中的电子、离子导电,三相区的电化学反应等过程。模拟结果提供了连接板对电极内部的气体传输以及电池中的电流密度分布的影响。基于对浓差极化和接触电阻的欧姆损失的竞争关系,通过优化计算,给出了各种接触电阻以及各种气道间距的连接板的最优连接板宽度。本章还对阴极层的厚度进行了优化分析。第四章对目前固体氧化物燃料电池工程制作上比较热门的多层电极电池进行了二维多物理场模拟,对单电池以及电池堆内的物理场分布进行了详细的描述和分析。在电池堆模型的基础上对影响电池堆性能的各种参数进行了优化分析。第五章考虑了电子、离子导电方程,物质传输方程,电化学反应,对电池堆内沿燃料气道方向半个循环单元进行了三维模拟。考虑三维多物理耦合计算的复杂性,为减少由于电解质薄层导致的的过多网格,在对导电方程严格数学分析的基础上,把电解质薄层的厚度放大10倍,并对导电系数等进行了相应处理。该数学等价处理方法有效地减少了网格数,提高了数值模拟效率。应用此三维模型又同向流、反向流以及交叉流电池堆的rib宽度进行了优化并与第三章的二维优化结果进行了比较。第六章对本论文所做的工作进行了总结。

论文目录

• 摘要
• AbstraCt
• 第一章 固体氧化物燃料电池介绍
• 1.1 研究对象的引入
• 1.1.1 燃料电池
• 1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.1.3 SOFC组件材料
• 1.1.4 平板式SOFC电池堆结构
• 1.2 固体氧化物燃料电池工作原理
• 1.2.1 热力学原理
• 1.2.2 电化学原理
• 1.2.3 电池的效率
• 第二章 固体氧化物燃料电池的模拟工具
• 2.1 理论模拟工作综述
• 2.2 燃料电池内的电势平衡
• 2.2.1 Nernst势与标准Nernst势
• 2.2.2 活化极化势（Butler-Volmer方程）
• 2.2.3 欧姆电压降
• 2.2.4 浓差极化势
• 2.2.5 电势平衡
• 2.3 物质传输过程
• 2.3.1 多孔物质内的扩散项
• 2.3.2 粘滞流（Darcy流）
• 2.3.3 Fick模型
• 2.3.4 Maxwell-Stefen扩散模型
• 2.3.5 Dusty Gas模型
• 2.4 有限元多物理场模拟工具COMSOL
• 2.4.1 Multiphysic中的守恒方程
• 2.4.2 COMSOL Script
• 第三章 平板式SOFC电池堆连接板优化设计
• 3.1 连接板优化设计课题分析
• 3.2 二维电池堆单元模型
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 气体传输过程模型
• 3.2.3 导电方程
• 3.2.4 Butler-Volmer方程计算TPB上的电流密度
• 3.2.5 边界设置
• 3.2.6 模型中的基本参数
• 3.2.7 数值计算过程
• 3.3 模拟结果与讨论
• 3.3.1 含rib电池堆的性能
• 3.3.2 连接板rib宽度的优化
• 3.3.3 阴极厚度对电池堆性能的影响
• 3.4 本章总结
• 第四章 多层电极SOFC二维模拟
• 4.1 多层电极燃料电池模拟课题分析
• 4.2 二维多层电极模型
• 4.2.1 Butler-Volmer方程与三相区反应长度
• 4.2.2 气体传输方程
• 4.2.3 导电方程
• 4.2.4 电势平衡
• 4.2.5 计算方法与参数
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 单电池内物理场分布
• 4.3.2 使用电池堆模型拟合实验曲线
• 4.3.3 电池堆内物理场分布
• 4.3.4 阴极电流收集层厚度优化
• 4.3.5 连接板宽度优化
• 4.3.6 阴极功能层厚度优化
• 4.3.7 阳极功能层厚度优化
• 4.4 本章总结
• 第五章 三维电池堆优化
• 5.1 物理分析
• 5.2 三维SOFC电池堆模型
• 5.2.1 模型假设
• 5.2.2 模型几何结构
• 5.2.3 物理模型
• 5.2.4 物质传输方程
• 5.2.5 导电方程
• 5.2.6 Butler-Volmer方程
• 5.2.7 网格划分以及计算过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 单电池性能参数拟合结果
• 5.3.2 电池堆物理场
• 5.3.3 三维模型下的rib宽度优化
• 5.5本章总结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的论文发表情况