管式固体氧化物燃料电池的数值分析优化

1.作者有专业基础——作者研究燃料电池十几年的时间，对该方面有较深的见解。

 

《管式固体氧化物燃料电池的数值分析优化》以管式固体氧化物燃料电池（SOFC）为研究对象，在电池单元尺度层面上，建立了一个多物理场耦合模型来研究电池构型对其性能的影响。模型中考虑了集流件与电极间的接触电阻，耦合了电子导电过程、离子导电过程、气体输运过程以及电化学反应过程。在电池堆大尺度层面，区别于传统的以阴极支撑型为主的电堆设计，针对阳极支撑型建立了电堆内空气流场模型。计算分析多种设计方案，综合考虑各结构参数对空气流场影响，包括进出口管直径、进出口管数、进出口管布置位置、流通截面、单电池间距等，对多种方案的堆内空气流场各区域进行整体分析和优化设计。《管式固体氧化物燃料电池的数值分析优化》适合从事能源化学工程专业的研究生和科研人员阅读，也可供从事燃料电池相关工作的工程技术人员参考。

符号表001

第1章绪论005

1.1研究背景006

1.2燃料电池发展历程007

1.3固体氧化物燃料电池（SOFC）概述011

1.3.1SOFC基本原理011

1.3.2SOFC常见类型012

1.3.3SOFC部件材料015

1.4管式SOFC研究现状016

1.4.1管式SOFC发展综述016

1.4.2管式SOFC数值计算综述018

1.5主要研究内容021

第2章管式SOFC多物理场耦合理论基础及数值模型023

2.1SOFC的数值计算理论基础024

2.1.1SOFC的理想电压024

2.1.2SOFC的伏安特性026

2.1.3动量、能量、质量守恒方程027

2.2管式SOFC多物理场耦合数值模型031

2.2.1电化学模型031

2.2.2传质模型035

2.2.3传热模型038

2.3计算流体力学求解过程042

2.4本章小结044

第3章管式SOFC电极构型的分析研究045

3.1管式SOFC的结构和三种电极构型的特点046

3.2管式SOFC多物理场耦合模型050

3.2.1几何模型050

3.2.2模型的输入参数050

3.2.3模型的边界条件053

3.2.4模型输出的伏安特性曲线及校验054

3.3计算结果与讨论056

3.3.1阴极支撑型内部的流体及电流传输过程056

3.3.2阳极支撑型内部的流体及电流传输过程057

3.3.3运行温度的影响058

3.3.4电导率的影响059

3.3.5孔隙率的影响061

3.3.6接触电阻的影响061

3.3.7输出电压的影响061

3.4本章小结065

第4章管式SOFC堆结构的分析研究067

4.1管式SOFC堆电池单元构型的选择068

4.2管式SOFC堆的三维空气流场模型070

4.2.1模型的几何尺寸和输入参数070

4.2.2管式SOFC堆模型071

4.2.3表征参数072

4.3计算结果和讨论075

4.3.1一进一出直线型气道流场075

4.3.2一进一出Z型气道流场077

4.3.3二进二出Z型气道流场083

4.3.4二进二出U型气道流场086

4.4本章小结091

第5章管式SOFC电堆空气分配的优化设计方案093

5.1阳极支撑型管式SOFC堆的空气分配方案论证分析094

5.1.1电堆设计模型的演化规律094

5.1.2一进一出直线型和二进二出U型的对比分析096

5.2新型阳极支撑管式SOFC堆的模型计算101

5.3优化结果讨论108

5.4本章小结110

第6章总结与展望111

6.1总结112

6.2展望115

参考文献116

燃料电池是一种典型的电化学发电设备，是将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转变为电能的发电设备，能量转换不受卡诺循环限制，以其高效、环保、低噪等优势被誉为21世纪前景的发电技术之一。其在欧美等国家被深入研发，广泛应用于航空航天、水下航行器、陆地单兵装备等军用领域，并开始覆盖民用公交系统和通讯等领域。燃料电池工作过程中涉及的传热、传质、动量传递、电化学反应和离子电子混合导电等过程并非互不相干而是强烈相互耦合的，通过实验方法研究不同过程间的相互作用是一种非常昂贵且耗时的方式，相对而言数值模拟方法成本低且高效。而且分析结果有助于研究者对燃料电池工作过程中的各种现象深入理解，帮助研究者找到对燃料电池性能影响的主要因素，进而发现潜在问题，进行有针对性的优化设计。随着计算机和商业软件的发展，数值模拟方法越来越强大、越来越准确，在燃料电池设计优化的道路上，数值模拟方法扮演着越来越重要的角色。但是对燃料电池进行建模非常复杂，目前各国学者从多个方面建立了完善程度不同的用于模拟燃料电池性能的模型。《管式固体氧化物燃料电池的数值分析优化》针对的研究对象是管式结构的固体氧化物燃料电池（TSOFC），管式结构单电池由一端封闭、一端开口的多层管子构成，是SOFC早发展的一种形式，也是目前较为成熟和实用化的一种形式，其在电能输出的稳定性、长时间抗劣化衰减、抗热应力破坏三个方面具有明显的优势。对管式SOFC的研发主要集中在以美国、日本和欧洲为代表的一些发达国家，其中美国开展管式SOFC的研究早，我国多数研究机构集中在平板式SOFC的研究，管式SOFC的研究较少。书中对燃料电池工作过程数值模拟相关的理论基础进行了较为系统地阐述，详细描述了燃料电池工作过程中涉及的流体力学，对流导热，管道、多孔介质传质，电化学等多学科知识体系，并结合管式SOFC内部复杂的结构和流动分配特征详细推演得出管式SOFC的电化学、传质、传热和混合导电之间的偏微分耦合数值模型，所建立的管式SOFC多物理场耦合数值模型是具有菲克定律形式的尘气模型。在电池单元尺度层面上，建立了一个多物理场耦合模型来研究电池构型对其性能的影响。模型中考虑了集流件与电极间的接触电阻，耦合了电子导电过程、离子导电过程、气体输运过程以及电化学反应过程。书中建立的空气分配设计方案可为阳极支撑型管式SOFC电堆提供可靠的空气分配质量，解决了其实用化面临的技术难题之一，为研发高性能管式SOFC电堆提供了重要的技术支持。本书由于子冬、陈代芬、孔为、肖蓓蓓共同撰写，在编写和出版过程中得到了江苏科技大学的支持和资助，得到了化学工业出版社编辑的热心帮助，谨在此致以衷心的感谢。由于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者不吝指正。著者2017年7月