固體氧化物燃料電池堆的多物理場(chǎng)全耦合建模和理論模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氣體燃料的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)過(guò)程直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能的清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可被運(yùn)用于交通運(yùn)輸、分布式電站，具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。電池堆是SOFC作為發(fā)電裝置的核心工作單元，提高電池堆的發(fā)電效率、運(yùn)行壽命對(duì)于SOFC產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。工業(yè)化SOFC電池堆的工作特征非常復(fù)雜，流場(chǎng)、組分傳輸、質(zhì)量傳輸、電荷傳輸、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和熱傳輸以強(qiáng)耦合的形式相互影響，共同決定了電池堆的性能。不同于實(shí)驗(yàn)室紐扣電池，電

2、池堆中的流場(chǎng)、電化學(xué)和溫度分布非常復(fù)雜，并且不同電池片之間的串聯(lián)設(shè)計(jì)也導(dǎo)致電池堆的性能難以準(zhǔn)確調(diào)控。利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在調(diào)控、優(yōu)化工業(yè)化大型電池堆時(shí)，不僅耗時(shí)、成本高，而且難以準(zhǔn)確把握耦合規(guī)律對(duì)性能的影響。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，SOFC多物理場(chǎng)全耦合模擬方法展現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算和分析能力，可以作為實(shí)驗(yàn)方法的替代和補(bǔ)充，用于優(yōu)化、調(diào)控、設(shè)計(jì)SOFC核心部件。
　　本博士學(xué)位論文圍繞發(fā)展SOFC工業(yè)化電池堆的多物理場(chǎng)全耦合模型以及性能

3、分析展開(kāi)。下面簡(jiǎn)單介紹各章的主要內(nèi)容。
　　第一章首先介紹了固體氧化物燃料電池的背景、結(jié)構(gòu)和工作特征，以及平板型固體氧化物燃料電池的應(yīng)用前景和需要克服的技術(shù)問(wèn)題。然后，對(duì)平板型固體氧化物燃料電池的多物理場(chǎng)全耦合模擬技術(shù)發(fā)展做了詳細(xì)介紹，并重點(diǎn)指出工業(yè)化電池堆多物理場(chǎng)全耦合模擬的技術(shù)發(fā)展瓶頸。
　　第二章中首先介紹了工業(yè)化SOFC電池堆的全耦合模擬的必要性。隨后，針對(duì)制約SOFC多物理場(chǎng)耦合模擬向電池堆尺度發(fā)展的幾個(gè)主要問(wèn)題，

4、我們著力解決了關(guān)鍵性的算法和程序問(wèn)題，包括:(1)改良多物理場(chǎng)耦合算法，降低模擬SOFC電池堆所需計(jì)算資源，(2)改良CFD軟件，使其具備以全耦合的方式求解SOFC工業(yè)化電池堆穩(wěn)態(tài)工況的計(jì)算能力。我們通過(guò)在CFD軟件Fluent中嵌入解析算法cathode-rib方程以及自編多物理場(chǎng)耦合模塊，成功地建立了適用于大型電池堆的SOFC電池堆耦合程序模塊。該程序模塊相比傳統(tǒng)CFD軟件將計(jì)算資源降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并且大幅度提升了計(jì)算穩(wěn)定性和

5、收斂速度，為工業(yè)化電池堆多物理場(chǎng)全耦合模擬的實(shí)現(xiàn)奠定了算法和程序基礎(chǔ)。
　　在第三章中我們中提出，SOFC多物理場(chǎng)耦合計(jì)算模塊必須滿足如下三方面要求:(1)具備傳統(tǒng)CFD軟件中SOFC模塊的計(jì)算功能，即能夠計(jì)算小體系模型。(2)準(zhǔn)確性必須得到驗(yàn)證。(3)可以進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算資源，從而實(shí)現(xiàn)高效的電池堆三維全耦合計(jì)算。(4)降低電池堆耦合計(jì)算中調(diào)試的難度。本章中，針對(duì)這些要求展開(kāi)一系列計(jì)算，用以驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性、優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置，并發(fā)展了逐步

6、耦合的具備高度穩(wěn)定性的全耦合計(jì)算策略。
　　第四章中，我們成功地建立了世界上第一個(gè)具備完整結(jié)構(gòu)、完全耦合求解的工業(yè)化(30層)SOFC平板電池堆模型，并對(duì)其進(jìn)行性能分析。我們通過(guò)全耦合的模擬揭示大型工業(yè)化電池堆中穩(wěn)態(tài)工況的各個(gè)細(xì)節(jié)，展示復(fù)雜的傳輸特征和模型強(qiáng)大的計(jì)算能力。并且，將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)簡(jiǎn)化算法進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明發(fā)展高精度的全耦合電池堆模型的必要性。
　　在第五章中，針對(duì)優(yōu)化電池堆中流場(chǎng)分配的問(wèn)題，我們首先創(chuàng)建預(yù)測(cè)氣流分配

7、均勻度的解析方法——衰減方程。通過(guò)對(duì)衰減方程的分析，我們發(fā)現(xiàn)SOFC電池堆運(yùn)行特征非常容易誘發(fā)燃料流分配均勻度的衰減行為。而更進(jìn)深入的分析則表明，存在一個(gè)和設(shè)計(jì)相關(guān)的杠桿因子，在衰減行為中扮演著放大或減弱衰減效應(yīng)的作用。通過(guò)優(yōu)化這個(gè)杠桿因子，我們可以高效地優(yōu)化氣流分配均勻度，在穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)現(xiàn)非常均勻的流場(chǎng)分配。隨后，我們建立了一系列30層平板電池堆模型來(lái)驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)的衰減行為。這些計(jì)算涵蓋了從簡(jiǎn)單的冷流動(dòng)模擬到SOFC穩(wěn)態(tài)模擬，來(lái)確保驗(yàn)

8、證的完備性。更重要的是，基于衰減方程的分析，我們獲得了實(shí)現(xiàn)高均勻度流量分配的電池堆設(shè)計(jì)新標(biāo)準(zhǔn)和明晰的設(shè)計(jì)方向。最后，我們依據(jù)解析理論預(yù)測(cè)的設(shè)計(jì)方案重新建立了新的30層電池堆模型，其優(yōu)異的高均勻度穩(wěn)態(tài)工況同樣被全耦合的模擬加以證實(shí)。至此，我們提出了改良SOFC電堆氣道設(shè)計(jì)的方案——衰減方程和模擬相結(jié)合。這種方法在應(yīng)用于具備‘氣道-多歧管-子氣道-多歧管-氣道'結(jié)構(gòu)特征的裝置時(shí)，在優(yōu)化氣流分配均勻度上顯示出極大的潛力和高效性。
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