固體氧化物燃料電池納米復(fù)合電極有效性質(zhì)理論及模擬計(jì)算.pdf

1、世界范圍內(nèi)對(duì)煤、石油、天然氣等化石燃料高效、無(wú)污染利用的需求，使得能夠直接使用碳?xì)淙剂习l(fā)電的清潔高效發(fā)電裝置——固體氧化物燃料電池(簡(jiǎn)稱(chēng)SOFC)越來(lái)越受到人們的重視。多孔電極是固體氧化物燃料電池中非常重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣對(duì)固體氧化物燃料電池性能的提高起著關(guān)鍵作用。納米復(fù)合電極作為一種新興的多孔電極，由于具有跟電解質(zhì)之間的力學(xué)匹配性高，極化損耗小等優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。盡管納米復(fù)合電極實(shí)驗(yàn)方面的研究很多，理論研究卻相對(duì)貧乏，這影響著人

2、們對(duì)納米復(fù)合電極內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理的理解及對(duì)其微結(jié)構(gòu)和材料組成的優(yōu)化設(shè)計(jì)。科學(xué)合理的建立和發(fā)展納米復(fù)合電極的有效性質(zhì)理論，進(jìn)而建立多物理場(chǎng)模型對(duì)納米復(fù)合電極的相關(guān)性能進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化，對(duì)實(shí)驗(yàn)研究有非常重要的指導(dǎo)意義。
　　本論文基于納米復(fù)合電極的實(shí)際物理圖像，在傳統(tǒng)電極的有效性質(zhì)理論的基礎(chǔ)上，使用理論推導(dǎo)和多物理場(chǎng)模擬等方法，對(duì)具有納米復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池進(jìn)行了有效性質(zhì)理論研究和性能模擬優(yōu)化工作，主要內(nèi)容包括如下幾個(gè)部分:

3、r>　　在第一章中，我們首先介紹了燃料電池的發(fā)展概況，其次概述了多物理場(chǎng)模擬相關(guān)理論，對(duì)建模過(guò)程中需要用到的控制方程進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，進(jìn)而簡(jiǎn)要介紹了納米復(fù)合電極這種新興多孔電極的發(fā)展背景，制作工藝，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及優(yōu)勢(shì)所在，最后我們對(duì)理論模擬過(guò)程中常見(jiàn)的模擬技術(shù)和方法做了簡(jiǎn)要介紹。
　　第二章從納米復(fù)合電極的幾何結(jié)構(gòu)特殊性出發(fā)，引入了多孔電極是由勻質(zhì)導(dǎo)電的等效球隨機(jī)排布而成的假設(shè)，在已有的由硬球堆積傳統(tǒng)電極電導(dǎo)率理論的基礎(chǔ)上，提出

4、和發(fā)展了納米復(fù)合電極的有效電導(dǎo)率理論，給出了二元納米復(fù)合電極電導(dǎo)率的解析表達(dá)式，同時(shí)基于三元納米復(fù)合電極中核心骨架的離子傳輸和納米小顆粒之間的離子傳輸形成兩條并聯(lián)的離子傳輸通路的物理圖像，給出了三元納米電極的等效離子電導(dǎo)率表達(dá)式，并跟相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較驗(yàn)證。
　　第三章利用有限厚度逾滲閾值的維度理論，對(duì)第二章電導(dǎo)率公式中的球殼層電導(dǎo)率進(jìn)行修正，并用修正后的理論對(duì)納米復(fù)合電極的一些特有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)€進(jìn)一步討論了層數(shù)因子

5、對(duì)球殼層電導(dǎo)率的修正。該電導(dǎo)率理論的計(jì)算結(jié)果跟不同Ni的組分，不同溫度和不同電極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電導(dǎo)率變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的很好，進(jìn)一步證明了我們理論的正確性。該理論的提出為納米復(fù)合電極的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　第四章發(fā)展了納米復(fù)合電極中的電化學(xué)有效性質(zhì)理論和氣體傳輸有效性質(zhì)理論，分別給出了有效三相線(xiàn)和有效氣孔直徑的解析表達(dá)式，并跟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了有效性質(zhì)理論的準(zhǔn)確性，我們還進(jìn)一步建立了三元納米電極的多物理場(chǎng)模型，對(duì)三元納米電極的微

6、結(jié)構(gòu)參數(shù)和電極組分配比做了一系列的討論和優(yōu)化。
　　第五章基于前面已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的納米復(fù)合電極有效性質(zhì)理論，耦合電子傳輸，離子傳輸，電化學(xué)反應(yīng)，氣體傳輸?shù)冗^(guò)程建立了不同結(jié)構(gòu)電極對(duì)應(yīng)的固體氧化物燃料單電池多物理場(chǎng)模型，該多物理場(chǎng)模型給出的I-V曲線(xiàn)跟實(shí)驗(yàn)符合的很好，驗(yàn)證了我們有效性質(zhì)理論的準(zhǔn)確性。對(duì)傳統(tǒng)電極，單相浸漬納米電極，雙相浸漬納米電極等不同結(jié)構(gòu)電極的相關(guān)性質(zhì)的比較，使我們對(duì)不同結(jié)構(gòu)的多孔電極的優(yōu)缺點(diǎn)有了進(jìn)一步了解。
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