瓦楞固体氧化物燃料电池阴极厚度对其性能的影响(附件)【字数：9887】
摘 要摘 要固体氧化物燃料电池，由于它的清洁环保，高的能量转化效率，是各国重点研究的新能源技术之一。本文主要研究阴极厚度对燃料电池性能的影响。第一章简要介绍了燃料电池的基本内容，包括燃料电池原理、燃料电池的热力学、燃料电池反应动力学、燃料电池电荷输运、燃料电池质量输运等。第二章利用COMSOL软件建立了燃料电池模型，分析了氢气浓度分布规律、氧气浓度分布规律、电势分布规律，为接下来对燃料电池的深入研究作了铺垫。第三章分别研究了阴极厚度，孔隙率以及电池高度对燃料电池性能的影响。发现随着阴极厚度的增加，电流密度逐渐增加。孔隙率对电池性能的影响不太大，可忽略。电池高度对燃料电池性能影响较大，电池高度越大，电流密度越小。结论部分对全文进行了简单总结。关键词瓦楞式SOFC、电池长度、阴极厚度、孔隙率
目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池 1
1.2 燃料电池热力学 2
1.3 燃料电池反应动力学 4
1.4 燃料电池电荷传输 8
1.5燃料电池质量传输 9
1.6 国内外研究进展 9
第二章 固体氧化物燃料电池模型 11
2.1 模型几何结构 11
2.1.2 阴极 11
2.1.3 电解质 12
2.1.4 连接板 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 结果分析 16
2.3.1 氢气分布 16
2.3.2 水的分布 17
2.3.3 氧气浓度分布 18
2.3.4 阴极电势分布 19
2.3.5 阳极电势分布 19
第三章 阴极厚度对电池性能的影响 21
3.1 阴极厚度对电池性能影响分析 21
3.2 孔隙率对燃料电池性能的影响 25
3.3电池高度hcell对其性能的影响 26
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1.1 燃料电池
首先燃料电池，顾名思义，就要有燃料。随着燃料地不断供给，燃料电池就能持续提供能量，并且本身并不被耗损，这个特点很好地区分了燃料电池与普通电池[1]。
燃料电池就好像一个车间，不断加工送进来的反应气体，释放出能量。只要有物质源源不断地输送进来，它就可以一直提供能量。
燃料电池显然有着很长远的发展前景。这些是基于燃料电池的特性得出的结论。首先燃料电池直接将化学能转化为可以直接利用的电能。其次它的全固态结构，使得本身具有高寿命和很好的稳定性，噪音也小。最后它的排出物也可以忽略，对环境影响很小。
然而燃料电池也有它的局限性，这些正是我们当前关注解决的实际问题。比如成本太高以及功率密度不够大。
燃料的存储和可用性也是另一大挑战。
按照温度则可分为低温燃料电池，中温燃料电池，高温燃料电池[2]。
燃料电池发电过程通常分为四个部分，第一步，输送反应物到两极。第二步，电化学反应。第三步，离子从电解质流过，电子从外电路流出。第四步，反应物排出。步骤示意如图11所示：
/
图11 燃料电池的工作步骤截面示意图
为了让化学反应持续发生，需要向燃料电池持续提供燃料和反应物。这个输送需要非常快的速度，否则得不到燃料补充，小灯泡就会忽暗忽明。利用流场板和多孔的电极结构可以有效实现这种高速传输。
第二步中，我们着力于提高化学反应速率，来获得更大的电流。
第三步中，电子的传输相对离子来说，相当容易，在两极间搭建一个导线就可以很顺利的实现电子的传输。而离子的传输相对困难，这是由于离子传输的阻耗较大。因此，我们需要减薄电解质的厚度，缩短路程。
1.2 燃料电池热力学
热力学第一定律：能量不可能凭空产生，也不会凭空湮灭。
（11）
即一个系统能量发生改变必然会使得周围环境发生等量的能量变化。
（12）
封闭系统与周围环境的能量传递有两种途径，一种做功，一种传热。因此我们也可以用下式表示：
（13）
从这个公式我们可以看出，一个系统内能的变化的大小等于系统得到的热量减去系统对外做出的功。
燃料电池中，我们需要考虑电功，而现在我们先不将其纳入研究范围，而只把机械能放在其中，我们可以将上式改为
（14）
热力学第二定律提出了熵的概念。系统的微观结构数目决定了熵的大小。因此，熵的增加使得系统的微观结构数目增加。因此，我们也可以用熵来衡量系统的混乱程度。对于一个简单的独立系统，我们有：
（15）
S表示系统的熵和；k是波尔兹曼常数；Ω表示系统的微观状态数
除非是非常简单的系统，否则我们无法计算出系统的熵。系统和它附近的环境的总熵是不会减小的。
功和热是一种传递的能量。一个物体在力的作用下的位移可以看成是功。不同温度间能量的传递可视作热的传递。
功是高等级的能量，热则是低等级的能量。功可以全部转化成热，而热不会全部变成功。
燃烧热是与燃烧有关的焓变。
焓随温度的改变而改变。
焓的微分形式：
（16）
p不变时，式子可以改为：
（17）
目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池 1
1.2 燃料电池热力学 2
1.3 燃料电池反应动力学 4
1.4 燃料电池电荷传输 8
1.5燃料电池质量传输 9
1.6 国内外研究进展 9
第二章 固体氧化物燃料电池模型 11
2.1 模型几何结构 11
2.1.2 阴极 11
2.1.3 电解质 12
2.1.4 连接板 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 结果分析 16
2.3.1 氢气分布 16
2.3.2 水的分布 17
2.3.3 氧气浓度分布 18
2.3.4 阴极电势分布 19
2.3.5 阳极电势分布 19
第三章 阴极厚度对电池性能的影响 21
3.1 阴极厚度对电池性能影响分析 21
3.2 孔隙率对燃料电池性能的影响 25
3.3电池高度hcell对其性能的影响 26
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
绪论
1.1 燃料电池
首先燃料电池，顾名思义，就要有燃料。随着燃料地不断供给，燃料电池就能持续提供能量，并且本身并不被耗损，这个特点很好地区分了燃料电池与普通电池[1]。
燃料电池就好像一个车间，不断加工送进来的反应气体，释放出能量。只要有物质源源不断地输送进来，它就可以一直提供能量。
燃料电池显然有着很长远的发展前景。这些是基于燃料电池的特性得出的结论。首先燃料电池直接将化学能转化为可以直接利用的电能。其次它的全固态结构，使得本身具有高寿命和很好的稳定性，噪音也小。最后它的排出物也可以忽略，对环境影响很小。
然而燃料电池也有它的局限性，这些正是我们当前关注解决的实际问题。比如成本太高以及功率密度不够大。
燃料的存储和可用性也是另一大挑战。
按照温度则可分为低温燃料电池，中温燃料电池，高温燃料电池[2]。
燃料电池发电过程通常分为四个部分，第一步，输送反应物到两极。第二步，电化学反应。第三步，离子从电解质流过，电子从外电路流出。第四步，反应物排出。步骤示意如图11所示：
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图11 燃料电池的工作步骤截面示意图
为了让化学反应持续发生，需要向燃料电池持续提供燃料和反应物。这个输送需要非常快的速度，否则得不到燃料补充，小灯泡就会忽暗忽明。利用流场板和多孔的电极结构可以有效实现这种高速传输。
第二步中，我们着力于提高化学反应速率，来获得更大的电流。
第三步中，电子的传输相对离子来说，相当容易，在两极间搭建一个导线就可以很顺利的实现电子的传输。而离子的传输相对困难，这是由于离子传输的阻耗较大。因此，我们需要减薄电解质的厚度，缩短路程。
1.2 燃料电池热力学
热力学第一定律：能量不可能凭空产生，也不会凭空湮灭。
（11）
即一个系统能量发生改变必然会使得周围环境发生等量的能量变化。
（12）
封闭系统与周围环境的能量传递有两种途径，一种做功，一种传热。因此我们也可以用下式表示：
（13）
从这个公式我们可以看出，一个系统内能的变化的大小等于系统得到的热量减去系统对外做出的功。
燃料电池中，我们需要考虑电功，而现在我们先不将其纳入研究范围，而只把机械能放在其中，我们可以将上式改为
（14）
热力学第二定律提出了熵的概念。系统的微观结构数目决定了熵的大小。因此，熵的增加使得系统的微观结构数目增加。因此，我们也可以用熵来衡量系统的混乱程度。对于一个简单的独立系统，我们有：
（15）
S表示系统的熵和；k是波尔兹曼常数；Ω表示系统的微观状态数
除非是非常简单的系统，否则我们无法计算出系统的熵。系统和它附近的环境的总熵是不会减小的。
功和热是一种传递的能量。一个物体在力的作用下的位移可以看成是功。不同温度间能量的传递可视作热的传递。
功是高等级的能量，热则是低等级的能量。功可以全部转化成热，而热不会全部变成功。
燃烧热是与燃烧有关的焓变。
焓随温度的改变而改变。
焓的微分形式：
（16）
p不变时，式子可以改为：
（17）
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