阳极支撑微管固体氧化物燃料电池长度对其性能的影响(附件)【字数：10032】
摘 要摘 要与传统的发电方式相比，固体氧化物燃料电池降低了能量转化过程中的损耗，也减少了污染。固体氧化物燃料电池研究涵盖了工程热力学、反应动力学、电化学反应、电荷传输和质量传输等学科领域，单单通过实验的方法研究成本太高，而且真正实施起来难度较大。通过数值仿真，可以很直观的了解燃料电池的工作过程，理解燃料电池长度以及其他各个方面对燃料电池性能的影响。第一章对燃料电池进行了简单的介绍，从原理以及优缺点等方面着手进行介绍。然后介绍了燃料电池的热力学过程、反应动力学过程、电荷传输以及质量传输。第二章建立了微管SOFC数学模型，得到了氢气分布、氧气分布、水分布、阴极电势分布、阳极电势分布，并且分析了这些关键物理场的分布特点，为接下来的研究打下了基础。第三章分析了电池长度、温度及管内径对电池性能的影响。发现电流密度随着电池长度的增加而减小，但是其减小幅度随着电池长度的增加而减小。温度越高电池欧姆电阻越小，从而电池性能越高。随着管内径的增大，电流密度减小，因为内径越大电池欧姆电阻越大，电流传输消耗越大。结论部分对全文进行了总结。关键词SOFC；电池长度；孔隙率
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 2
1.3 燃料电池反应动力学 5
1.4 燃料电池电荷传输 6
1.5 燃料电池质量传输 8
1.6 固体氧化物燃料电池发展状况 8
第二章 固体氧化物燃料电池模型 10
2.1 模型几何结构 10
2.1.1 阳极 10
2.1.2 阴极 11
2.1.3 电解质 12
2.1.4 连接体 13
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 电化学反应方程 15
2.3 结果展示 15
2.3.1 氢气分布 15
2.3.2 氧气分布 16
2.3.3 阳极电势分布 17
2.3.4 阴极电势分布 18
第三章 电池长度对其性能的影响 20
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电池长度对其性能的影响 20
3.2 燃料电池温度对其性能的影响 24
3.3 燃料电池管内径对其性能的影响 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 燃料电池简介
燃料电池是一个生产电能的工厂，将燃料输送进来，将电能输出出去，并不消耗燃料电池，这也是燃料电池相对于普通电池的重要区别。而内燃机与燃料电池的区别在于，内燃机是通过燃烧释放出热量，在很短的反应时间内，氢气分子与氧气分子发生反应，生成物的键和能比最初的氧气与氢气的键和能低，而放出热量，生成的热量必须转化成机械能再转化成电能，过程复杂而且效率较低；而燃料电池是直接从化学反应中得到电能。
通过一个简单的燃料电池模型，说明了电解质的含义，是一种带电原子可以流过而电子不能流过的材料。同时也解释了能量、密度、能量密度和功率密度的含义与之间的区别。
固体氧化物燃料电池由两块多孔电极和介于电极之间的电解质组成，燃料在阳极发生氧化反应，生成电子到外电路，被输送到阴极的氧气接受电子，发生还原反应，产生氧离子，通过电解质传递到阳极。固体氧化物燃料电池的燃料一般是氢气或者是甲烷，氧化剂直接选用空气。如图11为燃料电池工作原理示意图。
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图11 固体氧化物燃料电池工作原理图
燃料电池结合了电池和内燃机的优点且效率和性能高于前两者。燃料电池直接将化学能转化成电能，相比于内燃机没有中间过程，效率比内燃机高。而且，燃料电池结构固定，没有移动部件，运行可靠且寿命较长；燃料电池在功率和容量上可变范围大，能够提供较高的能量密度，这是普通电池不可比的，而且，燃料电池运行不消耗电池本身，只是将燃料转化成能量，普通电池消耗自身，用完后只能直接丢弃，从这一点上来讲，燃料电池具有普通电池没有的的快速性和持久性。
但是，燃料电池也存在着严重的缺点。最主要的缺点就是成本太高，不能够大规模运用，只有在特殊的领域性才与现代常用能源有竞争力。功率密度是另外一个限制燃料电池在生产生活领域中普遍运用的因素。功率密度太低，限制了燃料电池在的应用，比如电子和汽车领域中。而且，燃料电池只有用氢气工作时性能最佳，但是氢气在现实生活中很难得到和存储，而代替氢气的燃料们很难直接利用，这就造成燃料电池在燃料方面适用性很差。燃料电池对工作的环境温度、毒性和启停循环耐久性方面的灵活性很低，这些也是限制燃料电池普遍运用的重要因素。
根据电解质的材料对燃料电池做了系统的分类。分为磷酸盐燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池[1]。这5种燃料电池电化学基本原理相同，材料、工作温度和耐毒性不同。
首先电流的大小是与接触面积的大小成正比。所以，一般燃料电池都会设计成薄的平板，并且在电极开孔以增大接触面积，结构上电解质将阳极与阴极隔开。然后指出燃料电池分为4个过程，即反应物的传输、电化学反应、离子和电子的传导以及生成物的排出。
燃料电池的性能。通过电流电压特性图来表示燃料电池的性能。通过功率密度曲线可以反应功率密度和电流密度的函数关系。其中，燃料电池的电压可以反应燃料电池的效率。从而指明了实现燃料电池高电压工作可以提高燃料电池效率。但是，在现在维持高电压状态还是很困难的，有着各种各样的损耗，其中活化损耗、欧姆损耗和浓度损耗是影响燃料电池电压下降的主要因素。
燃料电池的合理使用对环境是很友好的。未来的氢能经济系统虽然很难实现，但是给现代能源的发展指明了方向。
1.2 燃料电池热力学
我们能找出热力学的一般规律，符合人类的生活经验。但是，热力学量的含义是什么，能量是什么，为什么不会产生和湮灭仍然超出人类的理解范围。我们只能在一些定律的基础上利用能量来创造价值。
燃料的总能量用内能来表示。内能是微观数量级上微粒相互作用的能量。
热力学第一定律是研究系统能量利用的重要定律。可表示为：
传热和做功是封闭系统两种常见的能量传递的方式。所以热力学第一定律也可表示为：
热力学第二定律中引入了熵的概念。熵是系统混乱程度的量度。可以作为判断热力学过程是否是自发的过程。
热力学势是可以表示物体之间能量传递的方向。内能可以表示为：
内能（U）作为一种热力学势，但是因为S和V在实验中无法直接测量，所以需要一个新的与内能等价的热力学势。因此，引入吉布斯自由能（G）。吉布斯自由能作为温度和压强的函数，温度和压强可以直接测量。吉布斯自由能可以表示为：
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 2
1.3 燃料电池反应动力学 5
1.4 燃料电池电荷传输 6
1.5 燃料电池质量传输 8
1.6 固体氧化物燃料电池发展状况 8
第二章 固体氧化物燃料电池模型 10
2.1 模型几何结构 10
2.1.1 阳极 10
2.1.2 阴极 11
2.1.3 电解质 12
2.1.4 连接体 13
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 电化学反应方程 15
2.3 结果展示 15
2.3.1 氢气分布 15
2.3.2 氧气分布 16
2.3.3 阳极电势分布 17
2.3.4 阴极电势分布 18
第三章 电池长度对其性能的影响 20
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
电池长度对其性能的影响 20
3.2 燃料电池温度对其性能的影响 24
3.3 燃料电池管内径对其性能的影响 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1 燃料电池简介
燃料电池是一个生产电能的工厂，将燃料输送进来，将电能输出出去，并不消耗燃料电池，这也是燃料电池相对于普通电池的重要区别。而内燃机与燃料电池的区别在于，内燃机是通过燃烧释放出热量，在很短的反应时间内，氢气分子与氧气分子发生反应，生成物的键和能比最初的氧气与氢气的键和能低，而放出热量，生成的热量必须转化成机械能再转化成电能，过程复杂而且效率较低；而燃料电池是直接从化学反应中得到电能。
通过一个简单的燃料电池模型，说明了电解质的含义，是一种带电原子可以流过而电子不能流过的材料。同时也解释了能量、密度、能量密度和功率密度的含义与之间的区别。
固体氧化物燃料电池由两块多孔电极和介于电极之间的电解质组成，燃料在阳极发生氧化反应，生成电子到外电路，被输送到阴极的氧气接受电子，发生还原反应，产生氧离子，通过电解质传递到阳极。固体氧化物燃料电池的燃料一般是氢气或者是甲烷，氧化剂直接选用空气。如图11为燃料电池工作原理示意图。
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图11 固体氧化物燃料电池工作原理图
燃料电池结合了电池和内燃机的优点且效率和性能高于前两者。燃料电池直接将化学能转化成电能，相比于内燃机没有中间过程，效率比内燃机高。而且，燃料电池结构固定，没有移动部件，运行可靠且寿命较长；燃料电池在功率和容量上可变范围大，能够提供较高的能量密度，这是普通电池不可比的，而且，燃料电池运行不消耗电池本身，只是将燃料转化成能量，普通电池消耗自身，用完后只能直接丢弃，从这一点上来讲，燃料电池具有普通电池没有的的快速性和持久性。
但是，燃料电池也存在着严重的缺点。最主要的缺点就是成本太高，不能够大规模运用，只有在特殊的领域性才与现代常用能源有竞争力。功率密度是另外一个限制燃料电池在生产生活领域中普遍运用的因素。功率密度太低，限制了燃料电池在的应用，比如电子和汽车领域中。而且，燃料电池只有用氢气工作时性能最佳，但是氢气在现实生活中很难得到和存储，而代替氢气的燃料们很难直接利用，这就造成燃料电池在燃料方面适用性很差。燃料电池对工作的环境温度、毒性和启停循环耐久性方面的灵活性很低，这些也是限制燃料电池普遍运用的重要因素。
根据电解质的材料对燃料电池做了系统的分类。分为磷酸盐燃料电池、聚合物电解质膜燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池[1]。这5种燃料电池电化学基本原理相同，材料、工作温度和耐毒性不同。
首先电流的大小是与接触面积的大小成正比。所以，一般燃料电池都会设计成薄的平板，并且在电极开孔以增大接触面积，结构上电解质将阳极与阴极隔开。然后指出燃料电池分为4个过程，即反应物的传输、电化学反应、离子和电子的传导以及生成物的排出。
燃料电池的性能。通过电流电压特性图来表示燃料电池的性能。通过功率密度曲线可以反应功率密度和电流密度的函数关系。其中，燃料电池的电压可以反应燃料电池的效率。从而指明了实现燃料电池高电压工作可以提高燃料电池效率。但是，在现在维持高电压状态还是很困难的，有着各种各样的损耗，其中活化损耗、欧姆损耗和浓度损耗是影响燃料电池电压下降的主要因素。
燃料电池的合理使用对环境是很友好的。未来的氢能经济系统虽然很难实现，但是给现代能源的发展指明了方向。
1.2 燃料电池热力学
我们能找出热力学的一般规律，符合人类的生活经验。但是，热力学量的含义是什么，能量是什么，为什么不会产生和湮灭仍然超出人类的理解范围。我们只能在一些定律的基础上利用能量来创造价值。
燃料的总能量用内能来表示。内能是微观数量级上微粒相互作用的能量。
热力学第一定律是研究系统能量利用的重要定律。可表示为：
传热和做功是封闭系统两种常见的能量传递的方式。所以热力学第一定律也可表示为：
热力学第二定律中引入了熵的概念。熵是系统混乱程度的量度。可以作为判断热力学过程是否是自发的过程。
热力学势是可以表示物体之间能量传递的方向。内能可以表示为：
内能（U）作为一种热力学势，但是因为S和V在实验中无法直接测量，所以需要一个新的与内能等价的热力学势。因此，引入吉布斯自由能（G）。吉布斯自由能作为温度和压强的函数，温度和压强可以直接测量。吉布斯自由能可以表示为：
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