阳极支撑扁管固体氧化物燃料电池阴极厚度对其性能的影响(附件)【字数：11300】
燃料电池是一种能量转换装置，它将化学能直接转换成电能，转换效率高和绿色环保的特性使它具有很好的发展前景。实验研究燃料电池在经济和技术上有很高的要求，且工作量大、内容繁琐，所以本文用模拟方法来模拟电池工作过程是一个很不错的选择。通过模拟相关参数对电池性能的影响，可以针对如何提高燃料电池性能的问题上给出一些建议。论文总共三章第一章简单介绍了燃料电池基础知识，包括燃料电池工作中涉及到的热力学、动力学以及质量和电子传输方面的知识，还概述了燃料电池的研究现状。第二章建立了燃料电池模型，得到了氢气分布、氧气分布、水分布、阴极电势分布和氧气分布，并对这些关键物理量的分布特点进行了分析。第三章分析了阴极厚度、孔隙率和燃料管口宽度对燃料电池性能的影响。发现随着阴极厚度增大，电流密度而增大，但是增幅越来越小。孔隙率对扁管状SOFC性能影响不大，孔隙率的增大并不能显著地提高燃料电池的电流密度和效率。管口宽度对电池电流密度的影响较为显著，管口宽度的减小意味着电流路径的减小，也就代表着电阻减小，所以电流密度会有所增加。关键字扁管状SOFC 阴极厚度 孔隙率
Keywords: flat tubular SOFC; cathode thickness; porosity 目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池简介 1
1.2 燃料电池热力学 4
1.3 燃料电池质量传输 8
1.4 燃料电池研究现状 9
第二章 燃料电池模型 11
2.1 模型几何结构 11
2.1.1 阳极 11
2.1.2 阴极 12
2.1.3 电解质 13
2.1.4 连接体 13
2.1.5 尺寸 14
2.2 控制方程 14
2.2.1 气体扩散方程 14
2.2.2 导电方程 15
2.2.3燃料电池电化学反应 15
2.3 结果分析 17
2.3.1氢气的分布 17
2.3.2水的分布 18
2.3.3氧气的分布 19
2.3.4阳极电势分布 20
2.3.5阴极电势分布 22< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
br /> 第三章 阴极厚度对扁管式SOFC性能的影响 25
3.1 引言 25
3.2阴极厚度对电池性能影响 25
3.3 孔隙率对扁管状SOFC性能的影响 30
3.4 燃料管口宽度对电池性能的影响 33
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 燃料电池简介
(1) 燃料电池定义
燃料电池能够直接将化学能转化成电能，只要能不断的提供燃料，燃料电池就能不断的产生电能，如图11所示。而且燃料电池在工作的时候不会被消耗，这是也与普通的传统电池有所区别的地方。燃料电池事实上就是一个能量转换装置。
/ /
图11 氢氧燃料电池的基本概念 图12 一个简单的燃料电池模型
(2) 燃料电池的基本工作原理
原子中存在着结合键，在一个释放能量的反应中，其生成键所释放的能量一定会大于结合键破坏所需的能量。燃料电池将电子从高能键转向低能键直接从反应中产生电能，当电子定向流动是就形成了电流。
如图12，在简单的燃料电池中，反应可以分解成为两个电化学反应。阳极：；阴极：。电解质是一种只能允许离子（带电原子）流通而隔离电子的材料，而电解质能够实现空间的隔离。质子通过电解质流动，电子流向电极和导线，在电路上如果加一个负载，就能使电路工作起来。 (3) 燃料电池的优缺点
相比于普通的传统电池，燃料电池有着共性也有许多优点。然而，燃料电池并不是完美的，它也存在着不足。
a.优点：
①燃料电池效率要远高于内燃机，原因在于它将化学能直接转换成电能。
②燃料电池是内部不可移动的全固态机械结构， 所以有较高的可靠性，在工作上也有着较长的寿命，而且运行状况比较安静。
③燃料电池无消耗，不产生氮氧化物与微颗粒，具有环境友好性。
④在理论上燃料电池能够在功率与容量之间任意缩放。
⑤燃料电池可以通过补充燃料而快速充电，能够提供高的能量密度，而普通电池只能舍弃或者靠插件充电，比较耗时。
b.缺点：
①燃料电池的开发和使用成本较高，只有像航天飞行器上等一些领域才用到了燃料电池。
②功率密度限制了它的发展。
③燃料的存储和可用性带来了更多的问题。氢气是理想的的能源，但是氢气在体积上有较低的能量密度，且难以储存，所以不是很完美。
④燃料电池的局限性还包括启动/停止循环中的耐久度、对工作温度的兼容性及对环境毒性的敏感度[1]。
注：功率密度表示单位体积的燃料电池或者单位质量的燃料电池所能产生的功率
(4) 燃料电池的基本工作过程
燃料电池工作中，电流大小与电极、反应物和电解质相接触的面积成正比。也就是将燃料电池面积扩大一倍，电池所产生的的电流也将会大约增大一倍。如图13所示，通常将燃料电池做成扁而薄的平板结构，是为了使面积和体积比最大化，而提供较大的反应面积。电极为高度多孔的，能更好的提高反应面积，同时保证了气体的进入。阳极发生氧化反应，电子从阳极流出；阴极发生还原反应，是电子流入的电极。如图14燃料电池的工作可以分为四大步骤：
1.反应物的传输；
2.发生电化学反应；
3.离子（和电子）传导；
4.生成物的排出。
/ /
图13 平板式燃料电池简单结构图 图14 燃料电池工作过程图
(5) 燃料电池的性能检测
前面提到过燃料电池的性能较高，理想状况下其性能由热动力学来控制。但是实际上，燃料电池实际的电压输出要比理想的小。此外，燃料电池电流输出越高，电压输出就越低。因此，燃料电池在总功率上受到这两个因素的限制。如图15所示，我们可以用电流电压所绘成的iV曲线图来概述出燃料电池的性能。
Keywords: flat tubular SOFC; cathode thickness; porosity 目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池简介 1
1.2 燃料电池热力学 4
1.3 燃料电池质量传输 8
1.4 燃料电池研究现状 9
第二章 燃料电池模型 11
2.1 模型几何结构 11
2.1.1 阳极 11
2.1.2 阴极 12
2.1.3 电解质 13
2.1.4 连接体 13
2.1.5 尺寸 14
2.2 控制方程 14
2.2.1 气体扩散方程 14
2.2.2 导电方程 15
2.2.3燃料电池电化学反应 15
2.3 结果分析 17
2.3.1氢气的分布 17
2.3.2水的分布 18
2.3.3氧气的分布 19
2.3.4阳极电势分布 20
2.3.5阴极电势分布 22< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
br /> 第三章 阴极厚度对扁管式SOFC性能的影响 25
3.1 引言 25
3.2阴极厚度对电池性能影响 25
3.3 孔隙率对扁管状SOFC性能的影响 30
3.4 燃料管口宽度对电池性能的影响 33
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪论
1.1 燃料电池简介
(1) 燃料电池定义
燃料电池能够直接将化学能转化成电能，只要能不断的提供燃料，燃料电池就能不断的产生电能，如图11所示。而且燃料电池在工作的时候不会被消耗，这是也与普通的传统电池有所区别的地方。燃料电池事实上就是一个能量转换装置。
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图11 氢氧燃料电池的基本概念 图12 一个简单的燃料电池模型
(2) 燃料电池的基本工作原理
原子中存在着结合键，在一个释放能量的反应中，其生成键所释放的能量一定会大于结合键破坏所需的能量。燃料电池将电子从高能键转向低能键直接从反应中产生电能，当电子定向流动是就形成了电流。
如图12，在简单的燃料电池中，反应可以分解成为两个电化学反应。阳极：；阴极：。电解质是一种只能允许离子（带电原子）流通而隔离电子的材料，而电解质能够实现空间的隔离。质子通过电解质流动，电子流向电极和导线，在电路上如果加一个负载，就能使电路工作起来。 (3) 燃料电池的优缺点
相比于普通的传统电池，燃料电池有着共性也有许多优点。然而，燃料电池并不是完美的，它也存在着不足。
a.优点：
①燃料电池效率要远高于内燃机，原因在于它将化学能直接转换成电能。
②燃料电池是内部不可移动的全固态机械结构， 所以有较高的可靠性，在工作上也有着较长的寿命，而且运行状况比较安静。
③燃料电池无消耗，不产生氮氧化物与微颗粒，具有环境友好性。
④在理论上燃料电池能够在功率与容量之间任意缩放。
⑤燃料电池可以通过补充燃料而快速充电，能够提供高的能量密度，而普通电池只能舍弃或者靠插件充电，比较耗时。
b.缺点：
①燃料电池的开发和使用成本较高，只有像航天飞行器上等一些领域才用到了燃料电池。
②功率密度限制了它的发展。
③燃料的存储和可用性带来了更多的问题。氢气是理想的的能源，但是氢气在体积上有较低的能量密度，且难以储存，所以不是很完美。
④燃料电池的局限性还包括启动/停止循环中的耐久度、对工作温度的兼容性及对环境毒性的敏感度[1]。
注：功率密度表示单位体积的燃料电池或者单位质量的燃料电池所能产生的功率
(4) 燃料电池的基本工作过程
燃料电池工作中，电流大小与电极、反应物和电解质相接触的面积成正比。也就是将燃料电池面积扩大一倍，电池所产生的的电流也将会大约增大一倍。如图13所示，通常将燃料电池做成扁而薄的平板结构，是为了使面积和体积比最大化，而提供较大的反应面积。电极为高度多孔的，能更好的提高反应面积，同时保证了气体的进入。阳极发生氧化反应，电子从阳极流出；阴极发生还原反应，是电子流入的电极。如图14燃料电池的工作可以分为四大步骤：
1.反应物的传输；
2.发生电化学反应；
3.离子（和电子）传导；
4.生成物的排出。
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图13 平板式燃料电池简单结构图 图14 燃料电池工作过程图
(5) 燃料电池的性能检测
前面提到过燃料电池的性能较高，理想状况下其性能由热动力学来控制。但是实际上，燃料电池实际的电压输出要比理想的小。此外，燃料电池电流输出越高，电压输出就越低。因此，燃料电池在总功率上受到这两个因素的限制。如图15所示，我们可以用电流电压所绘成的iV曲线图来概述出燃料电池的性能。
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