平板式固體氧化物燃料電池連接體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置，具有高效清潔、燃料靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有應(yīng)用前景的新能源技術(shù)之一。連接體作為SOFC的重要組成部件，除了可以連接相鄰單電池的陽極和陰極，起到集流作用外，還可為反應(yīng)物和生成物提供通道，避免燃料氣與氧化氣的直接接觸。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系到電池的輸出性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由于SOFC工作在高溫、封閉的環(huán)境中，單靠實(shí)驗(yàn)研究成本太高、實(shí)施困難。相對(duì)而言，基于有限元

2、法的數(shù)值仿真則比較經(jīng)濟(jì)、容易實(shí)施。因此，本文基于有限元法建立了平板式SOFC二維及三維模型，并以提高SOFC性能為目標(biāo)對(duì)電池的連接體進(jìn)行合理的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1.為了探究電池設(shè)計(jì)對(duì)電堆性能的影響，本文分別從氣體濃度分布、電極電勢(shì)分布以及溫度分布等方面，對(duì)陽極支撐SOFC和陰極支撐SOFC進(jìn)行了對(duì)比分析。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，陰極支撐SOFC電堆7033 A m?2的平均電流密度相對(duì)于陽極支撐SOFC電堆5580 A m-

3、2的平均電流密度高出了近二十個(gè)百分點(diǎn)。而且在最優(yōu)rib情況下，對(duì)于任意的接觸電阻和pitch寬度，陰極支撐SOFC電堆的性能都優(yōu)于陽極支撐SOFC電堆的性能。
　　2.針對(duì)目前傳統(tǒng)連接體與柱形連接體研究工作中存在的不足，本文提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過對(duì)電極中氣體濃度分布、接觸電阻以及pitch寬度的分析，明確了rib尺寸設(shè)計(jì)對(duì)電池性能影響的重要性。結(jié)果表明，對(duì)于給定的pitch寬度和接觸電阻，存在一個(gè)最優(yōu)rib使其輸出電流密度最大

4、。如果rib尺寸選擇不合理，由小接觸電阻產(chǎn)生的性能優(yōu)勢(shì)將顯著降低，甚至完全消失。通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的pitch寬度，最優(yōu)rib與接觸電阻間近似成線性關(guān)系。最后給出了rib優(yōu)化公式及相關(guān)線性參數(shù)。
　　3.為進(jìn)一步提高SOFC的輸出性能，本文設(shè)計(jì)了一種新型連接體——交叉形連接體。為驗(yàn)證該新型連接體在性能方面的優(yōu)越性，分別從電極電導(dǎo)率、孔隙率、輸出電壓等方面與傳統(tǒng)連接體、柱形連接體進(jìn)行對(duì)比分析，并基于 Taguchi試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)該新