燃料電池電堆三維溫度場(chǎng)分布的研究與優(yōu)化分析.pdf

1、固體氧化物燃料電池（ SOFC）是具應(yīng)用前景的電能產(chǎn)生裝置之一。由于SOFC有著復(fù)雜的工作過程，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，模擬仿真的方法會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。
　　SOFC在運(yùn)作時(shí)會(huì)有各種復(fù)雜的反應(yīng)過程，包括流動(dòng)、電化學(xué)、傳熱傳質(zhì)及導(dǎo)電等。電化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)物的生成及消耗會(huì)影響到SOFC內(nèi)的熱量的分布、流動(dòng)以及整個(gè)電堆的性能。所以本論文以寧波材料所的新型平板式短堆的結(jié)構(gòu)為原型，實(shí)施了電堆的3D模型建立，對(duì)電堆進(jìn)行了優(yōu)化及分析。并試著建立了3D電

2、堆的全模型（主管道、陽極、陰極、電解質(zhì)及連接體），包括傳熱和傳質(zhì)、流動(dòng)以及化學(xué)反應(yīng)等的綜合性多場(chǎng)耦合的全模型。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1、首先介紹了10層小型電堆流場(chǎng)優(yōu)化背景以及關(guān)于電堆模型用到的一些理論和具體的優(yōu)化步驟，第一部分的重點(diǎn)就是對(duì)氫氣和空氣流場(chǎng)均勻度和標(biāo)準(zhǔn)偏差因子的計(jì)算，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)模塊化電堆內(nèi)不同主管道的位置及不同分流器下的氣流分布情況進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　2、針對(duì)10層電堆的流場(chǎng)分析，

3、有以下結(jié)論：（1）主管是否穿透SOFC單元平面不會(huì)影響電堆層面的電池單元中的燃料和空氣流分布質(zhì)量。對(duì)于小型平板式SOFC電堆，在電堆層面的流量分布質(zhì)量很高。然而，每個(gè)SOFC單元表面的流量分布質(zhì)量應(yīng)該加以改善；（2）當(dāng)燃料主管置于SOFC單元區(qū)域內(nèi)并穿過SOFC單元區(qū)域時(shí)，超過31％的空氣將通過燃料主管區(qū)域的半圓區(qū)域；（3）當(dāng)空氣流主管放置在SOFC單元區(qū)域內(nèi)時(shí)，超過14％的燃料將通過空氣主管區(qū)域的半圓區(qū)域；（4）當(dāng)流量主管穿過電池單元

4、平面時(shí)，通過增加額外的分配器或擴(kuò)大整個(gè)出口主管面積，單電池層面上的燃料和空氣流分布質(zhì)量并不會(huì)大大改善。
　　3、針對(duì)25層帶有多孔介質(zhì)的模塊化短堆進(jìn)行了分流器的優(yōu)化以及進(jìn)出口排列的優(yōu)化分析，對(duì)于空氣側(cè)模型，包括了空氣氣道、陰極支撐層、陰極以及電解質(zhì)；對(duì)于燃料模型，包括了燃料氣道、電解質(zhì)、陽極支撐層、陽極，加入了流動(dòng)、熱量以及組分傳輸?shù)鹊挠绊?，通過優(yōu)化的結(jié)果分析電堆里的流場(chǎng)分布以及溫度和組分的分布情況，最終得出半圓分流器結(jié)構(gòu)改善了原