固體氧化物燃料電池多物理場耦合數(shù)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(zhuǎn)換效率、高比功率和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)力等諸多挑戰(zhàn)。為解決上述問題，本文開展了以下幾個(gè)方面的研究，主要包括：
　　 建立了平板式陽極支撐SOFC的三維數(shù)學(xué)模型，通過耦合電化學(xué)動力學(xué)和流體動力學(xué)模

2、擬了電池的傳熱傳質(zhì)等傳輸現(xiàn)象；采用有限容積法計(jì)算了質(zhì)量、動量、組分與能量守恒方程，系統(tǒng)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(zhuǎn)換過程中的傳熱傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，研究了碳?xì)浠衔餁怏w作為燃料氣的條件下重整反應(yīng)和水氣交換反應(yīng)對SOFC性能參數(shù)的影響。采用FLUENT與外部子程序結(jié)合的方法，求解數(shù)學(xué)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(shù)。<

3、br>　　 建立了SOFC電池堆的三維熱流模型，該模型耦合電化學(xué)動力學(xué)與具有溫度相關(guān)物性的流體動力學(xué)，揭示了電池堆內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程?；诳諝馀c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(jì)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(shù)。流場計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　 基于SOFC熱流－電化學(xué)耦合模擬計(jì)算得到的溫度場數(shù)據(jù)，采用ANSYS數(shù)值模擬了平板式陽極支撐SOF

4、C 電池堆單元的熱力學(xué)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(xiàn)應(yīng)力集中。由于陽極較厚，PEN三合一電極中陰極結(jié)構(gòu)局部弱化，PEN板中陰極等效熱應(yīng)力最大。PEN板的等效應(yīng)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(shí)際選擇空氣供給速率或者工作電壓時(shí)應(yīng)綜合考慮SO