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常不被考慮在內。但是SOFC工作過程中同時會涉及到電化學、流動、傳質、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內部的流動、熱量分布，乃至最終的電堆性能產生較大的影響。作為國家自然基金項目的主要研究內容之一，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、陽極、連接體等所有部件）流動、傳熱、傳質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電池堆內部流動、傳質、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電池單元內不同連接體固體脊

3、條（rib）結構對電池內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、陽極、連接體等全電池部件。模型嘗試綜合考慮流體、傳質、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量兩個角度分析了不同部件結構尺寸對電堆性能的影