固体氧化物燃料电池的CFD模拟

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1、摘要摘要固体氧化物燃料电池(SOFC)以其高能量转换效率，环境友好和对燃料气适应性广等特点，已成为下一代能源转换装置的首选之一。众所周知，一氧化碳与氢气的混合气制备较简单，来源丰富。如能合理地用作SOFC燃料气，则其运行成本可以大大降低。本文根据SOFC的工作原理，采用一氧化碳和氢气的混合气为燃料，建立平板式SOFC单体、串联的单流道、多流道三维数学模型，应用计算流体力学软件Fluent及编写部分子程序对其进行模拟计算。分析了一定工况条件(燃料流速、空气流速、燃料气组分比例等)4个不同流场下的串联SOFC传热传质现象和电学性能

2、；分析不同流场设计对多流道SOFC热学性能、电学性能的影响；比较了单体、串联与多流道SOFC在相同工况条件下的热学、电学性能。结果表明：对单体及串联SOFC，燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向进气的电流密度、温度场分布均匀，同时，调节燃料气和空气流速，也可以使电流密度和电池温度场的分布更趋均匀。多流道SOFC采用交叉流设计时热电性能最优。增加燃料气中氢气与一氧化碳的质量比至l：16，电池的热学、电学性能能够保持在合理范围内。SOFC的电解质越薄，其热电性能越好。在相同工况条件下多流道SOFC较单体及串联SOFC的温度略高，

3、电学性能略好。关键词：固体氧化物燃料电池：三维数值模拟：热学性能；电学性能；FluentAbstractSolidoxidefuelcells(SOFC)areamongpossiblecandidatesofnextgenerationenergyconversiondevicessincethey’recapableofprovidingenvironmentfriendly，highlyefficientpowergeneration．Moreover,SOFCSarelesssensitivetofuelcomposi

4、tioncomparedtootherfuelcellsystems．Itiswellknownthatthesyngas(H2＼CO)getseasilyandhasabundantsource．Ifsyngas(H2＼CO)isreasonablyfedtoSOFCasfuel，theoperatingcostofcellcouldbecutdownalot．Inthisthesis，withsyngas(H2＼CO)asfuel，thethree-dimensionalmathematicalmodelofsingle，

5、seriesandstackcellareintroducedaccordingtothetraditionalfuelcells’theoriesandsolvedbythecomputationaltoolFluentandsomesubroutinesofsources．Infourkindsofflowdesign，theinfluenceofworkingparameters，suchastheflowdirectionofgas，thefuelcomponentsandtheflowvelocityofgasont

6、hetemperaturedistribution，masstransferbehaviorandelectrochemicalperformanceofseriescellareanalyzed．Forthestackmodelwiththedifferentflowdesigns，thetemperaturedistributionandcurrentdensityfieldofcellWascalculated．Furthermore，thethermo-fluidandelectrochemicalcharacteri

7、sticsofdifferentcellmodelsarecompared．Theresultsshowthatforsinglecellandseriescell，thetemperaturedistributionandtheaveragecurrentdensityaremoreuniformintheCO—flowcasethaninthecounter-flowcase．Andthetemperaturedistributionandtheaveragecurrentdensitycanheoptimizedbyad

8、justingfuelvelocityandairvelocity．Thethermalandelectrochemicalperformanceofstackwithcrossflowdesignisexcellent．Adjustingmasscontentratioof