固體氧化物燃料電池性能的微結(jié)構(gòu)理論與多尺度多物理場模擬.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)具有高效清潔和燃料靈活等顯著優(yōu)點，是當前國際新能源技術(shù)發(fā)展的一大熱點。由于實物制作具有昂貴、耗時而不能全面細致地探索各種材料參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作條件影響的缺陷，根據(jù)已知原理建立理論與模擬工具，進而系統(tǒng)全面地探討各種材料選擇，電池設(shè)計方案和運行方式對電池性能的影響便成為加速SOFC技術(shù)發(fā)展的重要手段，
　　 本論文主要針對SOFC建立多尺度多物理場耦合的數(shù)值模型用于進行相關(guān)的理論研究和工程優(yōu)化設(shè)計。這

2、里指的多尺度主要指包括微觀復(fù)合電極尺度模型的研究和發(fā)展、電池層面尺度模型的研究和發(fā)展以及兩個尺度模型的耦合工作。多物理場主要包括電化學(xué)過程、電子和離子混合傳導(dǎo)過程、反應(yīng)氣體傳輸過程以及固-氣體混合熱傳輸過程的綜合分析。
　　 第一章首先簡單介紹了燃料電池的發(fā)展簡史，以及不同的電池分類。其次針對SOFC介紹了電池的基本工作原理，并細致推導(dǎo)了SOFC的理論電動勢、開路電動勢和局域能斯特電動勢的表達式。而后簡單分析了SOFC的結(jié)構(gòu)和部

3、件的材料特點。最后針對SOFC各個層面的數(shù)值模擬工作近況進行了大概的文獻概述。
　　 第二章首先對現(xiàn)有的微觀電極層面模型進行了概述。其次針對現(xiàn)有的基于球形顆粒隨機堆疊的逾滲微觀模型進行了詳細的介紹，并指出了現(xiàn)有模型的優(yōu)點和不足。基于大量的文獻分析作者提出了更為準確合理的用于預(yù)測SOFC復(fù)合電極有效性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)之間關(guān)系的逾滲微觀模型。并詳細分析了三種不同材料配比對應(yīng)的逾滲三相區(qū)域的分布情況。該模型不僅適用于二元混合物結(jié)構(gòu)，同

4、時也適用于具有多種顆粒尺寸的多元混合物結(jié)構(gòu)。模型依賴的微觀參數(shù)包括：各類顆粒的半徑、體積分數(shù)，顆粒間重疊接觸角以及孔隙率?？深A(yù)測的復(fù)合電極有效性質(zhì)包括：有效離子/電子體電導(dǎo)率和邊界電導(dǎo)率，單位體積的逾滲三相線長度、單位致密電解質(zhì)表面的逾滲三相線長度、兩相接觸面積以及氣孔通道的水力半徑等。同時，為了增加模型的實用性，所有結(jié)果都以無量綱化的形式展示。
　　 第三章在第二章微觀模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了針對具有真實顆粒尺寸分布的復(fù)合電極逾滲微

5、觀模型?；谠撃Ｐ停龖B(tài)分布函數(shù)被分別用于描述電極材料顆粒和電解質(zhì)材料顆粒在復(fù)合電極中的顆粒尺寸分布情況。模型依賴的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：電極材料顆粒和電解質(zhì)材料顆粒的平均半徑、反映顆粒尺寸分布寬度的正態(tài)分布標準偏差、材料組分配比以及復(fù)合電極結(jié)構(gòu)的孔隙率。通過該模型計算的結(jié)果與通過球形顆粒隨機排列電極重構(gòu)方法所得的結(jié)果非常吻合，從而有力的說明了該模型的有效性。通過計算得出，具有真實顆粒尺寸分布的復(fù)合電極與具有均勻顆粒尺寸分布的復(fù)合電極相比，

6、單位體積逾滲三相線長度的最大值減小約32％。最后為了擴展模型的實用性，我們結(jié)合SOFC陽極和陰極的特點對模擬結(jié)果進行了分析。結(jié)果顯示，復(fù)合電極使用較小的電極材料顆粒和電解質(zhì)材料顆粒平均半徑以及相對較窄的顆粒尺寸分布有利于提高SOFC復(fù)合陰極(LSM和YSZ)的性能。而對于典型的SOFC復(fù)合陽極(Ni和YSZ)而言，采用較大的電解質(zhì)材料顆粒平均半徑和相對較寬的顆粒尺寸分布則可得到較高的電池性能。
　　 第四章針對SOFC提出了一個

7、等效電路模型用于細致的描述SOFC內(nèi)部的局域電化學(xué)反應(yīng)情況以及電子和離子電流的傳導(dǎo)過程?；诰钟蚍磻?yīng)位置的電化學(xué)勢平衡，我們詳細描述了局域濃差損耗和局域活化過電勢等各部分損耗的定義。進而基于理論基礎(chǔ)給出了各個物理、化學(xué)過程的數(shù)學(xué)描述，并針對電池單元多物理場模型的建立推導(dǎo)出了各種等效的模擬處理方法。最后，通過與第二章提出的逾滲微觀模型相結(jié)合系統(tǒng)分析了復(fù)合陰極功能層厚度、材料參數(shù)性質(zhì)(如：基于單位三相線長度的交換輸運電流密度(表征材料電化學(xué)

8、活性)、本征電子和離子電導(dǎo)率)、電池工作環(huán)境(如工作溫度和輸出電流密度)以及復(fù)合電極微觀參數(shù)(如平均顆粒尺寸、電極顆粒和電解質(zhì)顆粒半徑比例、組分配比和孔隙率)對復(fù)合陰極功能層工作性能的作用。模擬結(jié)果顯示在各種不同的參數(shù)環(huán)境下，采用10-20μm之間的陰極間隙層厚度可以得到較優(yōu)化的電池性能。
　　 第五章在第四章的基礎(chǔ)上，分析了復(fù)合陰極的材料組分配比、陰極間隙層厚度、電池工作環(huán)境以及復(fù)合電極有效性質(zhì)等因素對陰極間隙層內(nèi)部電化學(xué)活化

9、區(qū)域分布的影響。由于SOFC的活化損耗主要發(fā)生在陰極間隙層內(nèi)的電化學(xué)活化區(qū)域，因此準確的預(yù)計陰極間隙層內(nèi)電化學(xué)活化區(qū)間的厚度至關(guān)重要?？紤]到繁瑣的數(shù)值建模過程和復(fù)雜的數(shù)值計算不利于其它實驗工作者結(jié)合不同的材料參數(shù)和具體的工作條件對復(fù)合電極的電化學(xué)活化區(qū)域作出預(yù)測。我們通過理論分析，推導(dǎo)了用于預(yù)測不同工作參數(shù)對應(yīng)的電化學(xué)活化區(qū)域潛在最大厚度的解析表達式。同時，為了驗證該解析表達式的有效性。我們將通過解析表達式計算的結(jié)果與通過第四章數(shù)值模型