平板型固體氧化物燃料電池堆結構多場耦合模擬與分析.pdf

1、固體氧化物燃料電池 SOFC是最有應用前景的電能產(chǎn)生裝置之一。以往的SOFC研究都是基于單極（燃料或者空氣）氣道的研究，對SOFC工作過程作了很多的簡化，其中最重要的電化學反應也經(jīng)常不被考慮在內(nèi)。但是SOFC工作過程中同時會涉及到電化學、流動、傳質(zhì)、傳熱以及導電等復雜的多場耦合過程。電化學反應引起的反應物生成/消耗必然對SOFC內(nèi)部的流動、熱量分布，乃至最終的電堆性能產(chǎn)生較大的影響。作為國家自然基金項目的主要研究內(nèi)容之一，本論文以Jül

2、ich公司的平板型電堆結構設計方案為基礎，開展電堆的三維大尺度建模分析優(yōu)化工作。并嘗試建立3維電堆全尺寸（主管道、陰極、電解質(zhì)、陽極、連接體等所有部件）流動、傳熱、傳質(zhì)多場耦合的大尺度分析模型。本文的主要研究工作如下：
　　1.首先在對典型SOFC電池堆內(nèi)部流動、傳質(zhì)、傳熱、導電和電化學反應等工作過程的守恒和相互關系以及計算流體力學CFD方法在SOFC電池堆模擬分析中的應用深入理解的基礎上，分析了SOFC電池單元內(nèi)不同連接體固體脊

3、條（rib）結構對電池內(nèi)部反應物傳輸和電化學反應分布的影響；
　　2.在Jülich研究中心提出的典型平板型SOFC電堆結構的基礎上，分別針對傳統(tǒng)矩形連接體rib結構、離散對稱圓柱形結構和離散錯列圓柱形連接體結構建立了對應的3維10層SOFC模塊化短堆氣道模型，通過CFD模擬對比分析三種設計方案的優(yōu)劣。并通過在陰極流道模型中進一步考慮多孔陰極結構、簡單物質(zhì)和熱量生成/消耗的影響，對分析結果做進一步驗證。結果表明，不同的連接體形貌設

4、計對堆層面的流體分布均勻性影響較小；結合使用傳統(tǒng)矩形rib結構構建陽極燃料流道，并使用離散對稱圓柱形rib結構構建陰極空氣流道將得到最佳的電堆整體工作性能；
　　3.針對20層SOFC模塊化電堆的完整結構進行3維數(shù)值建模。模型結構包括流道主管道、陰極、電解質(zhì)、陽極、連接體等全電池部件。模型嘗試綜合考慮流體、傳質(zhì)、傳熱及電化學反應的耦合影響。并從電池堆流量均勻性和rib氣道間的流量分布質(zhì)量兩個角度分析了不同部件結構尺寸對電堆性能的影