固體氧化物燃料電池性能及其退化的微結構理論與多尺度模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)具有燃料靈活、發(fā)電能效高等優(yōu)點，是各國競相發(fā)展的能源新技術。雖然實驗方法是推進SOFC技術進步的決定性因素，但是實驗方法也存在自身的缺點（如:昂貴、耗時等），一定程度上制約了SOFC的實用化進程。相對而言，SOFC的理論和數值仿真分析成本較低而且高效。利用SOFC的工作原理結合SOFC的材料性質，建立多尺度多物理場耦合模型，可以從材料選擇、電池結構設計、運行參數范圍方面對SOFC的整體性能進行量化優(yōu)化設計。

2、因此，理論模型和數值仿真技術對加深SOFC的理解和加速SOFC技術的發(fā)展，具有十分重要的意義。
　　 本論文主要利用理論和數值計算的方法對SOFC的電化學性能、機械性能和電池性能退化等方面進行系統(tǒng)的分析與討論。本論文主要包括如下幾部分內容:
　　 (1)首先介紹燃料電池(fuelcell)發(fā)展背景和當前的發(fā)展概況，然后概括SOFC的基本工作原理和與SOFC相關的熱力學基本理論，接下來簡單介紹數值模擬所采用的有限元基本方法

3、，最后對國內外SOFC在理論計算與仿真設計方面的進展進行總結。
　　 (2)針對微管SOFC的設計，運用有限元的方法建立了其二維軸對稱多尺度、多物理場模型，該模型耦合求解了電荷（電子和離子）的輸運方程、多組分物質的擴散方程、電化學反應控制方程以及能量和動量輸運方程。通過該模型研究了電池的工作條件（開路電壓、燃料流速、電流收集方式、燃料組成）微結構性質（顆粒半徑、復合電極組分比等）對電池電化學性能的影響。理論分析和計算結果表明:微

4、管SOFC在很大程度上制約于電池的電流收集方式、復合電極的組分比和電極的顆粒半徑等因素。
　　 (3)在微管SOFC機械性能方面，利用有限元的方法建立了微管SOFC二維軸對稱應力模型，基于微管SOFC溫度場的分布和電池的制作過程，計算了室溫和工作溫度下，微管SOFC內部的應力分布。研究了微管SOFC復合陽極中的Ni的體積分數和復合陰極中LSM體積分數對電池機械性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):在機械穩(wěn)定性方面，無論是在工作溫度下還是在室溫下

5、，降低陽極的Ni含量，不僅可以在很大程度上減小陽極的拉伸應力，同樣可以減小陰極和電解質的壓應力。增加LSM含量有利于減小陰極的壓應力，但對陽極和電解質的影響較小。
　　 (4)基于雙球模型、面擴散理論和SOFC陽極微結構性質，發(fā)展了描述復合陽極中Ni顆粒在高溫下粗化的模型。陽極中Ni顆粒的粗化主要是由于相互連接的顆粒中較大的顆粒吞并較小顆粒引起的。Ni顆粒在陽極中粗化的驅動力來源于Ni顆粒半徑不同導致的擴散速率的差異，金屬原子面

6、擴散是主要的擴散機制。模型中顆粒間連接面的個數是通過配位數理論計算的，概率性假設用來描述復合陽極中YSZ對Ni顆粒粗化的限制作用。根據以上的理論建立了Ni顆粒粗化動力學的解析表達式，通過對比理論結果和實驗結果發(fā)現(xiàn):理論計算結果能夠較好的描述實驗中Ni顆粒隨時間演化的趨勢。最后對影響Ni顆粒粗化的一些參數和SOFC復合陽極中Ni粗化的最大半徑進行了討論。
　　 (5)基于Ni顆粒的粗化模型，結合配位數理論和逾滲理論建立了二維SOF

7、C電池堆性能隨時間演化的多尺度、多物理場模型。為了確保參數的有效性，把實驗的I-V曲線和理論的I-V曲線進行了對照，實驗結果和理論結果吻合的很好。然后通過配位數理論和逾滲理論研究了復合陽極中Ni的粗化對體三相線、面三相線以及電子電導率的影響。研究結果表明在Ni的體積分數較大時，Ni的顆粒半徑粗化到較大的值，Ni仍然能夠處于逾滲閾值以上;類似的，YSZ顆粒半徑與Ni的顆粒半徑之比較大時，Ni的顆粒半徑同樣可以粗化到較大的值。基于二維多尺度