固體氧化物燃料電池多物理場耦合數值模擬研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell，SOFC）具有高能量轉換效率、高比功率和環(huán)境友好等優(yōu)點，被視為解決能源短缺問題的重要新能源裝置之一。然而，平板式固體氧化物燃料電池堆（SOFCs）面臨最大化電池堆的功率輸出、優(yōu)化電池堆溫度分布從而改善各部件的熱應力等諸多挑戰(zhàn)。為解決上述問題，本文開展了以下幾個方面的研究，主要包括：
　　 建立了平板式陽極支撐SOFC的三維數學模型，通過耦合電化學動力學和流體動力學模

2、擬了電池的傳熱傳質等傳輸現象；采用有限容積法計算了質量、動量、組分與能量守恒方程，系統研究了同向流與反向流條件下電流密度、電壓與功率密度分布。
　　 針對SOFC能量轉換過程中的傳熱傳質和電化學反應，建立相應的數學模型，研究了碳氫化合物氣體作為燃料氣的條件下重整反應和水氣交換反應對SOFC性能參數的影響。采用FLUENT與外部子程序結合的方法，求解數學模型。分析對比了不同工作電壓條件下電池溫度、過電壓、電流密度等電池性能參數。<

3、br>　　 建立了SOFC電池堆的三維熱流模型，該模型耦合電化學動力學與具有溫度相關物性的流體動力學，揭示了電池堆內部的傳熱傳質過程。基于空氣與燃料氣流動均勻性分析，采用大型商業(yè)CFD軟件FLUENT與外部VC++子程序計算了不同工作條件下電池堆的溫度與電流密度分布以及電壓等性能參數。流場計算結果與文獻中實驗數據吻合較好。
　　 基于SOFC熱流－電化學耦合模擬計算得到的溫度場數據，采用ANSYS數值模擬了平板式陽極支撐SOF

4、C 電池堆單元的熱力學性能。燃料與空氣同向供氣條件下，SOFC核心工作部件三合一電極PEN板（Positive/Electrolyte/Negative）中心區(qū)域位移較大，而PEN板螺栓周圍出現應力集中。由于陽極較厚，PEN三合一電極中陰極結構局部弱化，PEN板中陰極等效熱應力最大。PEN板的等效應力與位移隨著空氣供給速率或者工作電壓的增加而減小，然而并非空氣供給速率或者工作電壓越大越好，實際選擇空氣供給速率或者工作電壓時應綜合考慮SO