固體氧化物燃料電池性能及其退化的微結(jié)構(gòu)理論與多尺度模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)具有燃料靈活、發(fā)電能效高等優(yōu)點(diǎn)，是各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的能源新技術(shù)。雖然實(shí)驗(yàn)方法是推進(jìn)SOFC技術(shù)進(jìn)步的決定性因素，但是實(shí)驗(yàn)方法也存在自身的缺點(diǎn)（如:昂貴、耗時(shí)等），一定程度上制約了SOFC的實(shí)用化進(jìn)程。相對(duì)而言，SOFC的理論和數(shù)值仿真分析成本較低而且高效。利用SOFC的工作原理結(jié)合SOFC的材料性質(zhì)，建立多尺度多物理場(chǎng)耦合模型，可以從材料選擇、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)范圍方面對(duì)SOFC的整體性能進(jìn)行量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、因此，理論模型和數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)加深SOFC的理解和加速SOFC技術(shù)的發(fā)展，具有十分重要的意義。
　　 本論文主要利用理論和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)SOFC的電化學(xué)性能、機(jī)械性能和電池性能退化等方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析與討論。本論文主要包括如下幾部分內(nèi)容:
　　 (1)首先介紹燃料電池(fuelcell)發(fā)展背景和當(dāng)前的發(fā)展概況，然后概括SOFC的基本工作原理和與SOFC相關(guān)的熱力學(xué)基本理論，接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹數(shù)值模擬所采用的有限元基本方法

3、，最后對(duì)國(guó)內(nèi)外SOFC在理論計(jì)算與仿真設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。
　　 (2)針對(duì)微管SOFC的設(shè)計(jì)，運(yùn)用有限元的方法建立了其二維軸對(duì)稱多尺度、多物理場(chǎng)模型，該模型耦合求解了電荷（電子和離子）的輸運(yùn)方程、多組分物質(zhì)的擴(kuò)散方程、電化學(xué)反應(yīng)控制方程以及能量和動(dòng)量輸運(yùn)方程。通過該模型研究了電池的工作條件（開路電壓、燃料流速、電流收集方式、燃料組成）微結(jié)構(gòu)性質(zhì)（顆粒半徑、復(fù)合電極組分比等）對(duì)電池電化學(xué)性能的影響。理論分析和計(jì)算結(jié)果表明:微

4、管SOFC在很大程度上制約于電池的電流收集方式、復(fù)合電極的組分比和電極的顆粒半徑等因素。
　　 (3)在微管SOFC機(jī)械性能方面，利用有限元的方法建立了微管SOFC二維軸對(duì)稱應(yīng)力模型，基于微管SOFC溫度場(chǎng)的分布和電池的制作過程，計(jì)算了室溫和工作溫度下，微管SOFC內(nèi)部的應(yīng)力分布。研究了微管SOFC復(fù)合陽(yáng)極中的Ni的體積分?jǐn)?shù)和復(fù)合陰極中LSM體積分?jǐn)?shù)對(duì)電池機(jī)械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):在機(jī)械穩(wěn)定性方面，無(wú)論是在工作溫度下還是在室溫下

5、，降低陽(yáng)極的Ni含量，不僅可以在很大程度上減小陽(yáng)極的拉伸應(yīng)力，同樣可以減小陰極和電解質(zhì)的壓應(yīng)力。增加LSM含量有利于減小陰極的壓應(yīng)力，但對(duì)陽(yáng)極和電解質(zhì)的影響較小。
　　 (4)基于雙球模型、面擴(kuò)散理論和SOFC陽(yáng)極微結(jié)構(gòu)性質(zhì)，發(fā)展了描述復(fù)合陽(yáng)極中Ni顆粒在高溫下粗化的模型。陽(yáng)極中Ni顆粒的粗化主要是由于相互連接的顆粒中較大的顆粒吞并較小顆粒引起的。Ni顆粒在陽(yáng)極中粗化的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于Ni顆粒半徑不同導(dǎo)致的擴(kuò)散速率的差異，金屬原子面

6、擴(kuò)散是主要的擴(kuò)散機(jī)制。模型中顆粒間連接面的個(gè)數(shù)是通過配位數(shù)理論計(jì)算的，概率性假設(shè)用來(lái)描述復(fù)合陽(yáng)極中YSZ對(duì)Ni顆粒粗化的限制作用。根據(jù)以上的理論建立了Ni顆粒粗化動(dòng)力學(xué)的解析表達(dá)式，通過對(duì)比理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):理論計(jì)算結(jié)果能夠較好的描述實(shí)驗(yàn)中Ni顆粒隨時(shí)間演化的趨勢(shì)。最后對(duì)影響Ni顆粒粗化的一些參數(shù)和SOFC復(fù)合陽(yáng)極中Ni粗化的最大半徑進(jìn)行了討論。
　　 (5)基于Ni顆粒的粗化模型，結(jié)合配位數(shù)理論和逾滲理論建立了二維SOF

7、C電池堆性能隨時(shí)間演化的多尺度、多物理場(chǎng)模型。為了確保參數(shù)的有效性，把實(shí)驗(yàn)的I-V曲線和理論的I-V曲線進(jìn)行了對(duì)照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果吻合的很好。然后通過配位數(shù)理論和逾滲理論研究了復(fù)合陽(yáng)極中Ni的粗化對(duì)體三相線、面三相線以及電子電導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明在Ni的體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，Ni的顆粒半徑粗化到較大的值，Ni仍然能夠處于逾滲閾值以上;類似的，YSZ顆粒半徑與Ni的顆粒半徑之比較大時(shí)，Ni的顆粒半徑同樣可以粗化到較大的值?；诙S多尺度