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固体氧化物燃料电池热力电化学耦合数值模拟

作　者: 秦优培
导　师: 王桂兰
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 固体氧化物燃料电池热力电化学耦合模型热力学性能有限元分析计算流体力学
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

能源问题是目前世界各国广泛关注的问题,也是人类赖以生存的命脉。固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)作为一种新型的能源转换装置,具有清洁高效、安全性高和燃料来源广泛等优点,已成为当前的研发热点。然而,由于其运行需伴随复杂物理化学过程,如热量传输、组分传输、电化学反应、电流传输等。受实验手段的限制,难以全面分析SOFC运行过程中的众多影响因素及运行机理。因此,采用数值仿真分析方法对SOFC进行热流电化学及热力学耦合分析具有重要的意义。本论文基于流体力学、计算流体力学、电化学、热力学等基本理论,结合计算流体力学软件FLUENT及有限元分析软件ANSYS,在本实验室前期研究的基础上,对SOFC结构的优化设计及热流电化学热力学耦合模型进行了深入研究,主要研究内容包括:(1)以甲烷作为燃料气,考虑了重整反应及水交换反应气体动力学、以及电化学反应过程中的组分和能量源项,基于多组分混合气体在多孔介质中的扩散模型和“尘气模型”建立了SOFC的热力电化学耦合模型。(2)首次研究了电池单元长度对SOFC的温度分布、组分分布以及电性能的影响规律。结果表明,在相同工作条件下,温度梯度随着电池长度的增加而增加,CH4在电池长度100mm时利用率高达100%,电流密度在电池长度为70～80mm时出现最大值。因此,通过数值模拟的方法能够确定各种工作条件下SOFC最优长度范围,对综合提升其热流电化学性能有重要的意义。(3)建立了新型多面体式SOFC核心部件—三合一电极(阳极/电解质/阴极,又称PEN)的三维几何模型,并通过数值仿真分析提出设计方案,最终建立了由双层单电池组成的多面体式SOFC电池堆模型。(4)率先解决了对多面体式SOFC电池堆进行热力学数值仿真分析的难题。通过与平板式和瓦楞式SOFC电池堆各部件热力学性能对比,新型多面体式SOFC显示了优良的热力学性能及潜在的研究价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 课题来源  9
  1.2 课题背景和意义  9-10
  1.3 固体氧化物燃料电池简介  10-14
  1.4 固体氧化物燃料电池研究现状  14-18
  1.5 本文研究内容  18-19
2 SOFC 热流电化学物理数学模型与计算方法  19-38
  2.1 引言  19
  2.2 平板式SOFC 热流电化学分析几何模型  19-20
  2.3 热流电化学基本模型  20-32
  2.4 基于FLUENT 的离散计算方法及应用  32-36
  2.5 本章小结  36-38
3 SOFC 热力学分析数学模型与计算方法  38-47
  3.1 引言  38
  3.2 三种结构SOFC 电池堆核心部件几何模型  38-41
  3.3 SOFC 热力学分析理论  41-44
  3.4 有限元方法在热力学分析中的应用  44-47
4 单电池长度对SOFC 热流电化学性能影响分析  47-76
  4.1 引言  47
  4.2 初始条件  47-48
  4.3 单电池长度变化对SOFC 热电性能影响分析  48-73
  4.4 模型验证  73-74
  4.5 本章小结  74-76
5 PEN 结构变化对SOFC 电池堆的热应力影响分析  76-103
  5.1 引言  76
  5.2 不同结构SOFC 电池堆的几何模型  76-80
  5.3 热力学计算前处理模型  80-82
  5.4 三种结构SOFC 电池堆的力学性能对比分析  82-102
  5.5 本章小结  102-103
6 总结与展望  103-105
  6.1 全文总结  103-104
  6.2 展望  104-105
致谢  105-106
参考文献  106-111

固体氧化物燃料电池热力电化学耦合数值模拟

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