固體氧化物燃料電池納米復合電極有效性質(zhì)理論及模擬計算.pdf

1、世界范圍內(nèi)對煤、石油、天然氣等化石燃料高效、無污染利用的需求，使得能夠直接使用碳氫燃料發(fā)電的清潔高效發(fā)電裝置——固體氧化物燃料電池(簡稱SOFC)越來越受到人們的重視。多孔電極是固體氧化物燃料電池中非常重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣對固體氧化物燃料電池性能的提高起著關鍵作用。納米復合電極作為一種新興的多孔電極，由于具有跟電解質(zhì)之間的力學匹配性高，極化損耗小等優(yōu)點而倍受關注。盡管納米復合電極實驗方面的研究很多，理論研究卻相對貧乏，這影響著人

2、們對納米復合電極內(nèi)部反應機理的理解及對其微結構和材料組成的優(yōu)化設計?？茖W合理的建立和發(fā)展納米復合電極的有效性質(zhì)理論，進而建立多物理場模型對納米復合電極的相關性能進行對比和優(yōu)化，對實驗研究有非常重要的指導意義。
　　本論文基于納米復合電極的實際物理圖像，在傳統(tǒng)電極的有效性質(zhì)理論的基礎上，使用理論推導和多物理場模擬等方法，對具有納米復合電極結構的固體氧化物燃料電池進行了有效性質(zhì)理論研究和性能模擬優(yōu)化工作，主要內(nèi)容包括如下幾個部分:

3、r>　　在第一章中，我們首先介紹了燃料電池的發(fā)展概況，其次概述了多物理場模擬相關理論，對建模過程中需要用到的控制方程進行了簡單介紹，進而簡要介紹了納米復合電極這種新興多孔電極的發(fā)展背景，制作工藝，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及優(yōu)勢所在，最后我們對理論模擬過程中常見的模擬技術和方法做了簡要介紹。
　　第二章從納米復合電極的幾何結構特殊性出發(fā)，引入了多孔電極是由勻質(zhì)導電的等效球隨機排布而成的假設，在已有的由硬球堆積傳統(tǒng)電極電導率理論的基礎上，提出

4、和發(fā)展了納米復合電極的有效電導率理論，給出了二元納米復合電極電導率的解析表達式，同時基于三元納米復合電極中核心骨架的離子傳輸和納米小顆粒之間的離子傳輸形成兩條并聯(lián)的離子傳輸通路的物理圖像，給出了三元納米電極的等效離子電導率表達式，并跟相關的實驗數(shù)據(jù)進行了比較驗證。
　　第三章利用有限厚度逾滲閾值的維度理論，對第二章電導率公式中的球殼層電導率進行修正，并用修正后的理論對納米復合電極的一些特有的實驗現(xiàn)象進行解釋，還進一步討論了層數(shù)因子

5、對球殼層電導率的修正。該電導率理論的計算結果跟不同Ni的組分，不同溫度和不同電極結構導致的電導率變化的實驗數(shù)據(jù)符合的很好，進一步證明了我們理論的正確性。該理論的提出為納米復合電極的優(yōu)化設計奠定了基礎。
　　第四章發(fā)展了納米復合電極中的電化學有效性質(zhì)理論和氣體傳輸有效性質(zhì)理論，分別給出了有效三相線和有效氣孔直徑的解析表達式，并跟實驗數(shù)據(jù)對比，驗證了有效性質(zhì)理論的準確性，我們還進一步建立了三元納米電極的多物理場模型，對三元納米電極的微

6、結構參數(shù)和電極組分配比做了一系列的討論和優(yōu)化。
　　第五章基于前面已經(jīng)驗證過的納米復合電極有效性質(zhì)理論，耦合電子傳輸，離子傳輸，電化學反應，氣體傳輸?shù)冗^程建立了不同結構電極對應的固體氧化物燃料單電池多物理場模型，該多物理場模型給出的I-V曲線跟實驗符合的很好，驗證了我們有效性質(zhì)理論的準確性。對傳統(tǒng)電極，單相浸漬納米電極，雙相浸漬納米電極等不同結構電極的相關性質(zhì)的比較，使我們對不同結構的多孔電極的優(yōu)缺點有了進一步了解。
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