熔融氢氧化物直接碳燃料电池仿真模拟

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151800092硕士学位论（文学生类别：全日制专业型硕士研究生学位类别：工程硕士领域名称：化学工程论文题目：熔融氢氧化物直接碳燃料电池仿真模拟英文题目：MoltenHydroxideDirectCarbonFuelCellSimulation学生姓名：郝嘉懋导师姓名：李利军副教授张志军高级工程师二○一八年六月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要直接碳燃料电池是典型的需要进行多尺度耦合分析的研究对象。宏观上的电化学反应、物质扩散、气体流动等过程，加上微观上多种物质在电极内部的扩散和迁移作用这都需要从多尺度视角来研究化学电源内在复杂的反应机理。新能源技

2、术和清洁能源发电技术的快速发展，给高能量电池体系带来了更严峻的挑战。而熔融氢氧化物直接碳燃料电池（MHDCFC）体系极具诱惑的发展前景使其成为人们新的研究重点。本文以MHDCFC为研究对象，首次采用有限元方法(FiniteElementMethod)，使用COMSOLMultiphysics模拟软件对数值模型进行耦合分析，重点考虑了电池体系中的电化学反应、物质传输和电荷传递等过程。模型研究了电源体系不同电流密度条件下的放电特性，以及相关结构参数和物理化学特性参数对其放电性能的影响，最后对化学电源性能优化提供一些建议。建立一套数学模型，对比实验数据与模型数据，探讨和对比模型的真实性，在电流密

3、度小于10mA·cm-1，模型计算的输出电流密度由于不可逆反应导致活化极化计算值计算值变小，导致计算的电流密度结果变大，模型的整体一致性不错。通过3D模型，观察电池的温度分布，电流密度分布和OH-离子质量分数分布。对比不同中心热电偶温度723K，773K，823K，873K和923K的电池性能，可以发现随着温度的上升电池的性能也随之增加，电池内部的电流密度分布梯度变大，尤其电极间电流密度增加更加明显，同时阳极周围的OH-离子消耗也随之加快。引入活性比表面积预测不同阳极材料，通过比表面积对活性比表面积进行估算。活性比表面积的值不光受到比表面积影响，还受制于表面含氧官能团和碳表面微观结构。虽然

4、无法精确的估算出整体电池性能，但是电池的整体性能和活性比表面积趋势比较相同。改变阳极半径，阴极阳极圆心间距和反应装置内径，分别呈现了一定规律，从电流密度图分布，电池的温度分布和OH-离子质量分数分布得出，改变电池尺寸对电池性能的影响。经过分析，在电池温度为923K，阳极半径为0.65cm，阴极和阳极圆心间距为2cm，反应装置内径为5cm时电池性能最好。关键词：熔融氢氧化物直接碳燃料电池；Comsol；模拟仿真；优化I内蒙古工业大学硕士学位论文II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractDirectcarbonfuelcellsareatypicalclassofresearchobjec

5、tsthatrequiremulti-scalecouplinganalysis.Themacroscopicelectrochemicalreaction,materialdiffusion,gasflowandotherprocesses,togetherwiththediffusionandmigrationofmicroscopicsubstancesintheinterioroftheelectrode,allrequirethestudyoftheintrinsicandcomplexreactionmechanismofthechemicalpowersupplyfromam

6、ulti-scaleperspective.Therapiddevelopmentofnewenergytechnologiesandcleanenergygenerationtechnologieshasbroughtmoreseverechallengestohigh-energybatterysystems.ThetemptingdevelopmentprospectsoftheMHDCFCsystemhavemadeitanewresearchfocusforpeople.ThisarticletakesMHDCFCastheresearchobject,adoptsfinitee

7、lementmethod(FiniteElementMethod),usestheCOMSOLMultiphysicssimulationsoftwaretocarryonthecouplinganalysistothenumericalmodel,hasconsideredtheelectrochemicalreaction,thematerialtransmissionandthechargetransmission