平板型固體氧化物燃料電池堆結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合模擬與分析.pdf

1、固體氧化物燃料電池 SOFC是最有應(yīng)用前景的電能產(chǎn)生裝置之一。以往的SOFC研究都是基于單極（燃料或者空氣）氣道的研究，對(duì)SOFC工作過(guò)程作了很多的簡(jiǎn)化，其中最重要的電化學(xué)反應(yīng)也經(jīng)常不被考慮在內(nèi)。但是SOFC工作過(guò)程中同時(shí)會(huì)涉及到電化學(xué)、流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱以及導(dǎo)電等復(fù)雜的多場(chǎng)耦合過(guò)程。電化學(xué)反應(yīng)引起的反應(yīng)物生成/消耗必然對(duì)SOFC內(nèi)部的流動(dòng)、熱量分布，乃至最終的電堆性能產(chǎn)生較大的影響。作為國(guó)家自然基金項(xiàng)目的主要研究?jī)?nèi)容之一，本論文以Jül

2、ich公司的平板型電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，開(kāi)展電堆的三維大尺度建模分析優(yōu)化工作。并嘗試建立3維電堆全尺寸（主管道、陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極、連接體等所有部件）流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)多場(chǎng)耦合的大尺度分析模型。本文的主要研究工作如下：
　　1.首先在對(duì)典型SOFC電池堆內(nèi)部流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)電和電化學(xué)反應(yīng)等工作過(guò)程的守恒和相互關(guān)系以及計(jì)算流體力學(xué)CFD方法在SOFC電池堆模擬分析中的應(yīng)用深入理解的基礎(chǔ)上，分析了SOFC電池單元內(nèi)不同連接體固體脊

3、條（rib）結(jié)構(gòu)對(duì)電池內(nèi)部反應(yīng)物傳輸和電化學(xué)反應(yīng)分布的影響；
　　2.在Jülich研究中心提出的典型平板型SOFC電堆結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)傳統(tǒng)矩形連接體rib結(jié)構(gòu)、離散對(duì)稱圓柱形結(jié)構(gòu)和離散錯(cuò)列圓柱形連接體結(jié)構(gòu)建立了對(duì)應(yīng)的3維10層SOFC模塊化短堆氣道模型，通過(guò)CFD模擬對(duì)比分析三種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。并通過(guò)在陰極流道模型中進(jìn)一步考慮多孔陰極結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單物質(zhì)和熱量生成/消耗的影響，對(duì)分析結(jié)果做進(jìn)一步驗(yàn)證。結(jié)果表明，不同的連接體形貌設(shè)

4、計(jì)對(duì)堆層面的流體分布均勻性影響較?。唤Y(jié)合使用傳統(tǒng)矩形rib結(jié)構(gòu)構(gòu)建陽(yáng)極燃料流道，并使用離散對(duì)稱圓柱形rib結(jié)構(gòu)構(gòu)建陰極空氣流道將得到最佳的電堆整體工作性能；
　　3.針對(duì)20層SOFC模塊化電堆的完整結(jié)構(gòu)進(jìn)行3維數(shù)值建模。模型結(jié)構(gòu)包括流道主管道、陰極、電解質(zhì)、陽(yáng)極、連接體等全電池部件。模型嘗試綜合考慮流體、傳質(zhì)、傳熱及電化學(xué)反應(yīng)的耦合影響。并從電池堆流量均勻性和rib氣道間的流量分布質(zhì)量?jī)蓚€(gè)角度分析了不同部件結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電堆性能的影