陽極支撐型固體氧化物燃料電池內(nèi)多物理場傳遞過程的機理與數(shù)值分析.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種工作在600-1000℃，采用固態(tài)陶瓷材料作為傳導(dǎo)氧離子電解質(zhì)的能源轉(zhuǎn)換裝置。SOFC具有效率高、污染小、輸出功率大、適用燃料廣泛、只有氣固兩相介質(zhì)、工作原理簡單等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的燃料電池之一。陽極支撐型平板SOFC具有較厚的陽極，和相對較低的工作溫度。本文建立的三維穩(wěn)態(tài)的陽極支撐型SOFC單電池模型，可描述發(fā)生在SOFC內(nèi)的多物理場過程，其中包括:甲烷蒸汽重整(MSR)、水汽轉(zhuǎn)換反應(yīng)(W

2、GSR)和電化學(xué)反應(yīng)，以及質(zhì)量、動量、熱量、電荷（電子和氧離子）等傳遞過程。通過商業(yè)CFD軟件(Ansys/Fluent12.1)的模擬計算，輔以電流密度、電壓與功率密度等試驗數(shù)據(jù)驗證，得到相對合理的計算結(jié)果，并分析和討論溫度、多孔介質(zhì)參數(shù)，燃料種類、氣體通道分布等因素對SOFC中宏觀氣體反應(yīng)與傳熱傳質(zhì)過程的影響。此外以42步單向基元反應(yīng)機理描述了發(fā)生在SOFC多孔陽極上催化材料Ni表面的內(nèi)重整反應(yīng)，在表面催化反應(yīng)的層面上分析了SOFC

3、陽極中多物理場之間的耦合關(guān)系。
　　 通過分析發(fā)現(xiàn)，如果用單電池的宏觀氣體反應(yīng)模型，溫度由進(jìn)口側(cè)沿主流道方向升高，其中出口側(cè)靠近電解質(zhì)的區(qū)域溫度最高;陽極中的內(nèi)重整反應(yīng)主要發(fā)生在陽極頂部靠近氣體通道的區(qū)域，為電化學(xué)反應(yīng)提供了足夠的H2同時消耗了電化學(xué)產(chǎn)生的H2O和熱量;800℃時CH4的最大轉(zhuǎn)換率只有59.1％，同時H2摩爾分?jǐn)?shù)減少10％，電化學(xué)反應(yīng)較強;電化學(xué)反應(yīng)集中在電解質(zhì)附近的區(qū)域，其中陰極與陽極電化學(xué)反應(yīng)層分別為10um

4、和20u m;SOFC中電流密度和電壓分布不均勻，受到氣體通道、不同區(qū)域的溫度、氣體濃度分布等影響;在給定0.7V的操作電壓下，SOFC中總的過電勢損失約0.3V，其中陽極和陰極側(cè)的活化過電壓分別占70％和20％;操作溫度提高50℃，離子和電子電流密度（Iion和Ie）分別提高37.5％和28.6％，電化學(xué)和內(nèi)重整反應(yīng)加強;多孔介質(zhì)單位體積表面積提高10倍，電流密度增加53％，電化學(xué)反應(yīng)層厚度減半，活化過電壓損失減少40％;如果燃料成分