固體氧化物燃料電池和磁控濺射陰極的理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高溫燃料電池，在軍事、電力及運(yùn)輸上具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)前國(guó)際新能源技術(shù)發(fā)展的一大熱點(diǎn)。SOFC工作過(guò)程中涉及的物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和電化學(xué)過(guò)程并非互不相干而是強(qiáng)烈相互耦合的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究不同過(guò)程間的相互作用是一種非常昂貴且耗時(shí)的方式。相對(duì)而言，一方面數(shù)值模擬方法不僅成本低而且高效，另一方面數(shù)值模擬不僅有助于研究者加深對(duì)SOFC工作過(guò)程中的各種現(xiàn)象理解，而且非常容易的分析各種參數(shù)對(duì)SOFC性能的影

2、響，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)和商業(yè)軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬方法變的越來(lái)越強(qiáng)大、越來(lái)越準(zhǔn)確。因此在SOFC商業(yè)化的道路上，數(shù)值模擬方法扮演越來(lái)越重要的角色。
　　 本博士學(xué)位論文圍繞利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化設(shè)計(jì)SOFC和磁控濺射陰極展開(kāi)。本博士學(xué)位論文共分六章，下面簡(jiǎn)單介紹各章的主要內(nèi)容。
　　 第一章首先介紹了燃料電池的研究背景和其發(fā)展歷史，然后詳細(xì)介紹了固體氧化物燃料電池的工作原理、能斯特(Nern

3、st)電勢(shì)、活化極化、歐姆極化、濃差極化、效率、各種構(gòu)型和SOFC的數(shù)值模型的理論基礎(chǔ)。最后對(duì)SOFC的數(shù)值模擬工作進(jìn)行了大致的文獻(xiàn)概述及磁控濺射技術(shù)在SOFC方面的應(yīng)用。
　　 第二章首先分析了多孔介質(zhì)中的三種輸運(yùn)機(jī)制：分子擴(kuò)散、Knudsen擴(kuò)散和粘滯流針，對(duì)比了四種質(zhì)量輸運(yùn)模型：Fick's model(FM)、Advective-diffusivemodel(ADM)、Stefan-Maxwell model(SMM)和

4、Dusty gas model(DGM常翻譯為塵氣模型)，對(duì)于描述SOFC電極中的氣體擴(kuò)散，塵氣模型是最準(zhǔn)確的模型。然而塵氣模型中各種物質(zhì)流量相互耦合在一起無(wú)法給出顯式表達(dá)式，并且塵氣模型很難求解。因此基于合理的近似，而且這個(gè)近似對(duì)二組分氣體是嚴(yán)格成立，塵氣模型被改寫(xiě)為具有菲克定律形式，具有菲克定律形式的塵氣模型定義為DGMFM。對(duì)于多組分氣體混合物，DGMFM可以給出每種物質(zhì)的流量顯示解析表達(dá)式。為了驗(yàn)證DGMFM的準(zhǔn)確性，我們分別基

5、于DGMFM和DGM建立了兩個(gè)SOFC陽(yáng)極的質(zhì)量輸運(yùn)模型，模型同時(shí)還考慮了甲烷重整反應(yīng)和一氧化碳的水位移反應(yīng)。接下來(lái)系統(tǒng)的分析了各種參數(shù)對(duì)DGMFM準(zhǔn)確性的影響例如孔的半徑、孔隙率、曲率因子等。全面的分析表明在SOFC各種實(shí)際的工作條件下，DGMFM和DGM預(yù)測(cè)的結(jié)果符合的很好。
　　 第三章針對(duì)陽(yáng)極支撐的具有復(fù)合電極的SOFC，建立了一個(gè)二維的全面的數(shù)學(xué)模型。此模型不僅考慮了微結(jié)構(gòu)參數(shù)和電極與連接體集流脊架(rib)間的接觸電

6、阻，而且耦合了復(fù)雜的相互依靠的離子導(dǎo)電過(guò)程、電子導(dǎo)電過(guò)程、氣體輸運(yùn)過(guò)程、功能層中的電化學(xué)反應(yīng)和電極與電解質(zhì)交界面處的電化學(xué)反應(yīng)。然后基于此模型對(duì)比了單電池和電池堆中的氣體濃度分布和電勢(shì)分布，發(fā)現(xiàn)電池堆性能遠(yuǎn)不如單電池的一個(gè)主要原因是連接體幾何結(jié)構(gòu)引起的極化損失。接下來(lái)我們分別詳細(xì)的分析了各種情況下陽(yáng)極rib尺寸和陰極rib尺寸對(duì)電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)在各種實(shí)際的SOFC工作條件下陽(yáng)極rib尺寸和陰極rib尺寸對(duì)電池性能的影響不可忽略。最后

7、給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的陽(yáng)極rib寬度和陰極rib寬度優(yōu)化公式。
　　 第四章首先分析了SOFC不同區(qū)域所涉及的物理方程，然后基于平板式SOFC建立了一個(gè)三維多尺度具有復(fù)合電極的陽(yáng)極支撐的SOFC數(shù)學(xué)模型，此模型耦合了離子導(dǎo)電方程、電子導(dǎo)電方程、氣體輸運(yùn)方程、能量輸運(yùn)方程和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。利用此模型分析了一些關(guān)鍵物理量的分布和接觸電阻對(duì)SOFC性能的影響。通過(guò)優(yōu)化陰極電流收集層的厚度、陰極電流收集層和陽(yáng)極支撐層的平均導(dǎo)電子顆粒半徑，平均

8、電流密度從3679.A/m2增加到4000 A/m2。最后分析了陰極功能層(CFL)的離子電導(dǎo)率對(duì)SOFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)CFL的離子電導(dǎo)率也是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。
　　 第五章首先簡(jiǎn)單介紹了磁控濺射的原理和模擬方法，然后對(duì)我們的模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果證明了我們模擬方法的正確性。通過(guò)對(duì)比不同磁鐵磁化方向的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)只需要改變磁鐵的磁化方向就可以輕而易舉的把水平磁場(chǎng)的分布形狀由凸形改變成凹形。因此不需要在靶材和磁鐵間加入屏蔽條。