固体氧化物燃料电池电化学的分析和数值仿真

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1、摘要固体氧化物燃料电池是高效、环境友好的发电装置。由于是全固态结构，相比其它类型的燃料电池，固体氧化物燃料电池具有结构设计方便，发电效率高等特点，已经在世界范围内引起研究热潮。固体氧化物燃料电池中的流动特性与电化学反应相互耦合，并决定了电池的输出特性。本文数值仿真研究的重点在于通过改善电池工作条件来改善流场分布，从而达到改善电池输出特性的目的。本文对固体氧化物燃料电池进行了理论分析，基于电化学动力学的基本原理推导了电池中电化学特性相关的活化极化、浓差极化和欧姆极化等不可逆因素及这些不可逆因素与现象的成因和对电池输出性能及的影响。本文对电流在电池内的传输过程采

2、用了梯形电路模型进行等效，将其简化为垂直于电极/电解质反应面的一维传输，从而简化了计算求解过程。本文的数值仿真模拟过程以计算流体动力学(CFD)软件FLUENT和其前处理器GAMBIT为工具，以氢为燃料的平板状固体氧化物燃料单电池为研究对象，根据固体氧化物燃料电池内流体流动的基本特性和基本规律建立了质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒方程，考虑了燃料和空气的流动速度和流动方向、电池工作电压等工作条件的影响，分析了电池的温度分布的改善、输出性能和燃料利用率的提高与电池工作条件的关系，为固体氧化物燃料电池的实际工作条件的优化提出了指导意义。同时，本文给出了在给

3、定工作电压求解输出电流的电流求解模型下电池电极/电解质界面处的电流分布，反应了在电池内部电化学现象与流动状态相互耦合的特性。最后，本文考虑了在给定电流条件求解输出电压的电流模型下，氢气、水蒸气和氩气混合气体为燃料时的数值仿真，并将仿真计算的结果与相似模型和相同工作条件下的参考文献中试验结果进行对比，验证了该仿真计算的合理性。关键词：固体氧化物燃料电池电化学动力学数值仿真FLUENTIAbstractFuelCellsareahighlyefficient,environmentallybenignmethodofelectricpowerproduction

4、.Amongfuelcells,SolidOxideFuelCells(SOFCs)aredrawingkeenworldwideattentionforitsflexibilityindesignandhighgeneratingefficiencyinrespectofallsolidconstitutioncomparedtootherfuelcellsystems.Thetransportphenomenaandelectrochemicalreactioninsidesolidoxidefuelcellswhichdeterminetheoutpu

5、tperformanceofthecellsarecoupledtogether.Andtherefore,theemphasisofthenumericalsimulationworkisplacedonthedevelopmentoftheoperatingconditionstoimprovethespeciesdistributionoftheflowfieldwithfruitionofadvancedoutputperformanceofthecell.Thefundamentalofsolidoxidefuelcellsisgivenoutan

6、dtheirreversiblefactorsofactivation,concentrationandohmpolarizationsarededucedonthebasisofdynamic-electrochemistryprinciples,inaddition,thecausationsandtheeffectontheoutputperformanceofthecellisaccounted.Thecurrenttransportinsidethecellissubstitutedforanequivalentladdercircuitmodel

7、,andtherebythewholetransportpathisreducedtoone-dimensionalaswellasthecomputation.ThisnumericalmodelingworkemployedComputationalFluidDynamics(CFD)packagesFLUENTanditspreprocessorGambitastools,hydrogenfueledplanarsinglesolidoxidefuelcellsasobject,thenconstructedthemassconservation,mo

8、mentumconservation,energyc