管状电堆流道结构3维流场分析与优化(附件)【字数：17523】
摘 要摘 要燃料电池是一种直接把化学能转化为电能的装置。它具有无污染、效率高且产品轻便等优点，可以广泛应用于各种各样的领域。本课题旨在探讨管式固体氧化物燃料电池堆空气流道结构设计和参数对电堆内部流体分配质量的影响。用Gambit建立空气流道结构再用Fluent进行计算输出结果。通过分析初始模型空气气道结构的质量流量和速度标准偏差，提出优化方案，再通过流体力学计算验证结果，得出最佳的优化方案。第一章主要介绍燃料电池的发展背景及意义。第二章主要介绍了管式固体氧化物燃料电池的研究现状。重点介绍了固体氧化物燃料电池数值模型的一些基本理论，引出本课题的主要思路和目标。第三章是本论文的重点。首先提出了传统管式固体氧化物燃料电池堆的设计方案，建立初始模型的空气气道结构对其进行流体力学计算。分析初始模型的计算结果，提出优化方案。优化方案依次为一进一出Z型管式固体氧化物燃料电池堆，二进二出U型管式固体氧化物燃料电池堆以及二进二出Z型管式固体氧化物燃料电池堆。分别对此三种模型的空气气道结构作跟初始模型同样的分析计算，对比四种模型的质量流量和速度分布标准偏差，得出最佳的优化方案。关键词管式氧化物燃料电池堆，空气流道结构设计，计算流体动力学，空气分配特征及规律，标准偏差Abstract
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究燃料电池的目的 1
1.1.1 能源现状与燃料电池基础理论 1
1.1.2 评价燃料电池 2
1.1.3 燃料电池的发展背景 3
1.2 介绍各种燃料电池 3
1.2.1 燃料电池种类 3
1.2.2 比较6种燃料电池 8
1.3 SOFC的结构 8
1.4 SOFC的制备和材料 12
1.4.1 SOFC制备 12
1.4.2 管式SOFC（TSOFC）材料 12
第二章 固体氧化物燃料电池反应原理和数值模型基本理论 14
2.1 SOFC国内外研究现状 14
2.2 SOFC反应动力学 14
2.2.1 活化能跟反应速率的关系 14
2.2.2 SOFC的三种极化损失 15
2.3 管式SOFC单电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
池生产工艺 16
2.4 管式SOFC数学模型理论基础 19
2.4.1 管式SOFC数值模拟概述 19
2.4.2 管式SOFC数值模型 20
2.4.3 本论文所用到的软件介绍 24
第三章 管式SOFC空气流道模拟分析与优化 25
3.1 模型假设和主要参数说明 25
3.1.1 空气流道入口主管道速度的计算 25
3.1.2 雷诺数 25
3.1.3 湍动能和湍动耗散率 26
3.1.4 边界条件 26
3.1.5 标准偏差的定义 27
3.2 传统一进一出管式SOFC电堆空气流道流体分配质量分析 27
3.2.1 传统一进一出直线型管式SOFC空气流道结构及参数 27
3.2.2 三维空气流道结构模型的建立 29
3.2.3 迭代计算 30
3.2.4 1进1出直线型空气流道内流体分布质量和流动特性 31
3.3管式SOFC电堆一进一出Z型空气流道设计的流体分配质量 36
3.3.1 建立三维流道结构模型、分网、迭代计算 36
3.3.2 一进一出Z型空气流道设计内流体分布质量和流动特性 37
3.4管式SOFC电堆二进二出U型主管道分配设计流动特性分析 41
3.4.1 三维流场模型的建立、分网、迭代计算 42
3.4.2管式电堆二进二U型流道结构空气分配质量 43
3.5管式SOFC电堆二进二出Z型空气流道结构分析 47
3.5.1管式电堆二进二出Z型空气流道模型的建立，分网与计算 47
3.5.2管式电堆二进二U型流道结构空气分配质量 48
3.6 四个模型的标准偏差图表对比 53
3.7 本章总结 54
结 论 55
致 谢 56
参考文献 57
第一章 绪 论
1.1 研究燃料电池的目的
1.1.1 能源现状与燃料电池基础理论
如今环境的问题日渐严重，全世界都在倡导循环经济。环境污染大部分是由能源生产[1]导致。当能源使用过程中反应不完全，产生的尾气[2]例如CO2、SO2、氮氧化物以及重金属严重影响了生态环境，使得生态失衡。因此，一个能源能否做到高效、清洁、环保、高利用率直接影响到一个国家的经济能否有巨大的发展。
以前像蒸汽轮机一样，都是通过燃料燃烧产生化学能，化学能再转化成热能，大量的热量使气体膨胀，然后产生动力，推动蒸汽机移动，使发电机发电。这种过程复杂，耗费时间精力且要添加大量的人力物力财力且排放大量的尾气严重影响了环境，造成空气质量变差。
燃料电池就是一种能减少中间步骤，利用率高且效率高的装置，它可以直接把燃料和氧化剂的化学能转化成电能。它的组成分四个，电解质，连接体[3]，阳极和阴极。这四个部分有各自的分工。阳极产生离子，阴极产生电子，电解质用来电解出离子，连接体用来将各个部分连接起来。如图11所示，燃料电池就像是一个小工厂，这个是最基本的燃料电池原理图。氢气进入左边的电极被分解成了电子和氢离子，氢离子从电解质层流过，而电子通过导线移动产生电流接通电路使外电路开始工作。在这个过程中，只要停止氧化物[4]和燃料的供应，就不再产生电能，因此燃料电池并不储电而只可以发电。
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图11 燃料电池工作图[5]
1.1.2 评价燃料电池
大型电站规模巨大，它不能单用户建立而只能在一个地方发电燃料通过电网分配给用户。电网输电很不稳定，需要有备用设备还有修建水库发电来适应电网输电的各种变化，减少了效率，且这些设备会排放大量有害物质。燃料电池的好处就在于提高发电效率，满足用户需求。它的综合能源效率达百分之80%，装置可大可小，非常灵活。
燃料电池的优点：
（1）国防安全性；
（2）能源安全性；
（3）燃料多样性；
（4）高效能；
（5）高可靠度供电；
（6）用途广；
（7）环境亲和性好。
燃料电池的缺点：
（1）燃料电池造价高；
（2）启动性能较差；
（3）碳氢燃料无法直接利用；
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 研究燃料电池的目的 1
1.1.1 能源现状与燃料电池基础理论 1
1.1.2 评价燃料电池 2
1.1.3 燃料电池的发展背景 3
1.2 介绍各种燃料电池 3
1.2.1 燃料电池种类 3
1.2.2 比较6种燃料电池 8
1.3 SOFC的结构 8
1.4 SOFC的制备和材料 12
1.4.1 SOFC制备 12
1.4.2 管式SOFC（TSOFC）材料 12
第二章 固体氧化物燃料电池反应原理和数值模型基本理论 14
2.1 SOFC国内外研究现状 14
2.2 SOFC反应动力学 14
2.2.1 活化能跟反应速率的关系 14
2.2.2 SOFC的三种极化损失 15
2.3 管式SOFC单电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
池生产工艺 16
2.4 管式SOFC数学模型理论基础 19
2.4.1 管式SOFC数值模拟概述 19
2.4.2 管式SOFC数值模型 20
2.4.3 本论文所用到的软件介绍 24
第三章 管式SOFC空气流道模拟分析与优化 25
3.1 模型假设和主要参数说明 25
3.1.1 空气流道入口主管道速度的计算 25
3.1.2 雷诺数 25
3.1.3 湍动能和湍动耗散率 26
3.1.4 边界条件 26
3.1.5 标准偏差的定义 27
3.2 传统一进一出管式SOFC电堆空气流道流体分配质量分析 27
3.2.1 传统一进一出直线型管式SOFC空气流道结构及参数 27
3.2.2 三维空气流道结构模型的建立 29
3.2.3 迭代计算 30
3.2.4 1进1出直线型空气流道内流体分布质量和流动特性 31
3.3管式SOFC电堆一进一出Z型空气流道设计的流体分配质量 36
3.3.1 建立三维流道结构模型、分网、迭代计算 36
3.3.2 一进一出Z型空气流道设计内流体分布质量和流动特性 37
3.4管式SOFC电堆二进二出U型主管道分配设计流动特性分析 41
3.4.1 三维流场模型的建立、分网、迭代计算 42
3.4.2管式电堆二进二U型流道结构空气分配质量 43
3.5管式SOFC电堆二进二出Z型空气流道结构分析 47
3.5.1管式电堆二进二出Z型空气流道模型的建立，分网与计算 47
3.5.2管式电堆二进二U型流道结构空气分配质量 48
3.6 四个模型的标准偏差图表对比 53
3.7 本章总结 54
结 论 55
致 谢 56
参考文献 57
第一章 绪 论
1.1 研究燃料电池的目的
1.1.1 能源现状与燃料电池基础理论
如今环境的问题日渐严重，全世界都在倡导循环经济。环境污染大部分是由能源生产[1]导致。当能源使用过程中反应不完全，产生的尾气[2]例如CO2、SO2、氮氧化物以及重金属严重影响了生态环境，使得生态失衡。因此，一个能源能否做到高效、清洁、环保、高利用率直接影响到一个国家的经济能否有巨大的发展。
以前像蒸汽轮机一样，都是通过燃料燃烧产生化学能，化学能再转化成热能，大量的热量使气体膨胀，然后产生动力，推动蒸汽机移动，使发电机发电。这种过程复杂，耗费时间精力且要添加大量的人力物力财力且排放大量的尾气严重影响了环境，造成空气质量变差。
燃料电池就是一种能减少中间步骤，利用率高且效率高的装置，它可以直接把燃料和氧化剂的化学能转化成电能。它的组成分四个，电解质，连接体[3]，阳极和阴极。这四个部分有各自的分工。阳极产生离子，阴极产生电子，电解质用来电解出离子，连接体用来将各个部分连接起来。如图11所示，燃料电池就像是一个小工厂，这个是最基本的燃料电池原理图。氢气进入左边的电极被分解成了电子和氢离子，氢离子从电解质层流过，而电子通过导线移动产生电流接通电路使外电路开始工作。在这个过程中，只要停止氧化物[4]和燃料的供应，就不再产生电能，因此燃料电池并不储电而只可以发电。
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图11 燃料电池工作图[5]
1.1.2 评价燃料电池
大型电站规模巨大，它不能单用户建立而只能在一个地方发电燃料通过电网分配给用户。电网输电很不稳定，需要有备用设备还有修建水库发电来适应电网输电的各种变化，减少了效率，且这些设备会排放大量有害物质。燃料电池的好处就在于提高发电效率，满足用户需求。它的综合能源效率达百分之80%，装置可大可小，非常灵活。
燃料电池的优点：
（1）国防安全性；
（2）能源安全性；
（3）燃料多样性；
（4）高效能；
（5）高可靠度供电；
（6）用途广；
（7）环境亲和性好。
燃料电池的缺点：
（1）燃料电池造价高；
（2）启动性能较差；
（3）碳氢燃料无法直接利用；
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