瓦楞固体氧化物燃料电池阳极厚度对其性能的影响(附件)【字数：10223】
摘 要摘 要固体氧化物燃料电池是一种高效、洁净的新型能源技术，具有能量转换效率高，燃料适应性强和环境友好等优点，因此受到人们的普遍关注。本论文利用有限元方法建立瓦楞式固体氧化物燃料电池的二维数学模型，然后分析了阳极厚度对瓦楞式固体氧化物燃料电池性能的影响。第一章主要介绍了燃料电池的相关情况，包括燃料电池的定义、优缺点、电荷传输、质量传输等。第二章建立了燃料电池模型，介绍了模型的几何结构、控制方程，分析了关键物理量的分布规律。第三章分析了阳极厚度、孔隙率、阳极长度对电池性能的影响。发现随着阳极厚度的增加，电流密度逐渐增加，孔隙率对电池性能的影响可以忽略，阳极长度对燃料电池的影响非常显著，电池的长度越小所产生的电流密度就会越大。结论部分对全文进行了简要总结。关键词燃料电池 阳极厚度 孔隙率
目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池简介 1
1.2 燃料电池的热力学 2
1.3 燃料电池反应动力学 4
1.4 电荷传输 6
1.5 燃料电池间的质量传输 8
第二章 燃料电池模型 12
2.1 SOFC的相关部件以及材料制备 12
2.2 模型几何结构 13
2.2.1 瓦楞式固体氧化物燃料电池 13
2.2.2 阳极 13
2.2.3 阴极 14
2.2.4 电解质 15
2.3 控制方程 16
2.4 结果分析 17
2.4.1 氢气分布情况 17
2.4.2 水的分布情况 18
2.4.3 氧气的分布情况 19
2.4.4 阴极的电势分布 20
2.4.5 阳极的电势分布 21
第三章 阳极厚度对电池性能影响 23
3.1 阳极厚度对电池性能的影响 23
3.2 孔隙率对电池性能的影响 26
3.3 阳极长度对电池性能的影响 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 ....................31
第一章 绪论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1 燃料电池简介
首先，我们要知道什么是燃料电池。燃料电池并不像一般性的电池，它不会被耗尽，所以说这个“工厂”只要一直供应燃料，就会持续产生电能。燃料电池至少由两个电极即阳极和阴极，并由电解质隔开[1]。
研究燃料电池，我们首先要知道燃料电池的一些优势。第一点，燃料电池只要提供燃料，就能够发电[24]。其次，燃料电池是电化学能量转化装置，它与原电池有共同特性。燃料电池结合了内燃机和电池的优点。第三点，燃料电池把化学能转换电能，效率通常情况下远高于内燃机[5]。第四，燃料电池是理想的全固态机械机构，没有多余可移动的部件，这样的系统具有高可靠性与长寿性。并且，正是由于没有可移动部件，也就意味着燃料电池非常安静。第五点，不良生成物产生的很少。燃料电池不同于普通电池，它允许在功率和容量之间随意地缩放比例，而普通的电池的功率和容量常常是相互关联的，因此很难做到大尺寸[6]，并且燃料电池具有较高能量密度。最后一点，燃料电池可以快速充电，然而普通电池要么扔掉，要么耗时地去充电。
燃料电池实际应用中的瓶颈是成本昂贵，正是由于成本的限制，当前燃料电池技术只在几个特殊的领域具有经济竞争优势[7]。其次，功率密度也是一个重要的限制因素。最后，燃料的可用性和存储是否方便都是难题，以上问题都会降低燃料性能，同时会增加对辅助的设备的一些额外要求。与此同时，燃料电池也会对工作温度之间的兼容性，对环境性的敏感程度都是它不可消除的局限性[8]。
随着进一步地学习和了解，我们会把燃料电池分为5大类型：磷酸盐类型的燃料电池，聚合物电解质膜类型的燃料电池，碱性类型的燃料电池，以及熔融碳酸盐类型的燃料电池以及固体氧化物类型的燃料电池[9]。燃料电池都是基于相同的电化学的基本原理，但是它们却工作在不同的温度区间，使用不同的材料并且对燃料的抗毒性以及性能特性都不同。
固体燃料电池凭借着初始能源从而转化成电子流与此同时会产生电能，换句话说，燃料中的能量会传送给电子进而形成了电流。燃料电池通常情况下是被设计成平板结构的，它一边提供阳极燃料，一边提供氧化物也就是阴极的电极。这里的阳极是指发生氧化反应的电极，而氧化是指电子从一种物质分离出来，即释放电子[10]。同理，阴极是指发生还原反应的电极，而还原反应是指电子被加到另一种物质上，也就是消耗电子。
燃料电池的性能是由电流和电压曲线来评估的，它表示在一个给定的电流负载下，燃料电池输出的电压。然而，实际的燃料电池性能总是比理想的燃料电池的性能差的，原因是它的损耗[11]。而这种损耗情况主要包括以下的三种类型：即活化损耗型，欧姆损耗型以及浓度损耗型。合理地使用燃料电池是对环境非常友好的，因此这也是相比于其他能量转化技术的一大独一无二的优势[12]。所以，燃料电池对环境的影响是非常依赖于它的应用背景的。合理地配置资源，将是燃料电池未来发展前景所在[13]。
1.2 燃料电池的热力学
热力学是可以得出燃料电池各个参数的理论边界值。热力学它最大的本质所在就是，能够描述出能量，压强，温度，和体积等热力学重要的参量。
热力学第一定律即能量守恒定律——它表明能量不可能凭空产生或湮灭[14]。封闭系统和环境之间的能量传递存在两种方式：传热（Q）或者是做功（W），于是，就可以把热力学第一定律写成这种形式：
（11）
热力学第二定律是引入熵的概念。而熵是系统混乱程度的度量，一个系统的熵通常情况下只能通过传热的方式对系统熵变的影响得出。对于压强恒定可逆热传递过程[15]，系统的熵变是：
（12）
温度T和压强P是一种可观测量。即用一种新的热力学势G（T，p）：。即，这个函数称作吉布斯自由能。为了获得一个由S和P表示的热力学势，我们需要对U进行变换。新的热力学势能H：
（13）
（14）
内能（U）：指在温度体积不变的情况下建立的一个系统所需要的能量。焓（H）：建立起一个系统所需的能量加上系统创建相应的空间所做的功。亥姆霍兹自由能（F）：在温度不变的情况下，建立一个系统所需要的能量再减去系统可以从周围的环境中自发传热获取的能量。吉布斯自由能（G）：建立一个系统所需要的能量再加上系统创建相应的空间功，减去系统可以从周围的环境中自发传热获得的能量[16]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池简介 1
1.2 燃料电池的热力学 2
1.3 燃料电池反应动力学 4
1.4 电荷传输 6
1.5 燃料电池间的质量传输 8
第二章 燃料电池模型 12
2.1 SOFC的相关部件以及材料制备 12
2.2 模型几何结构 13
2.2.1 瓦楞式固体氧化物燃料电池 13
2.2.2 阳极 13
2.2.3 阴极 14
2.2.4 电解质 15
2.3 控制方程 16
2.4 结果分析 17
2.4.1 氢气分布情况 17
2.4.2 水的分布情况 18
2.4.3 氧气的分布情况 19
2.4.4 阴极的电势分布 20
2.4.5 阳极的电势分布 21
第三章 阳极厚度对电池性能影响 23
3.1 阳极厚度对电池性能的影响 23
3.2 孔隙率对电池性能的影响 26
3.3 阳极长度对电池性能的影响 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 ....................31
第一章 绪论
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1 燃料电池简介
首先，我们要知道什么是燃料电池。燃料电池并不像一般性的电池，它不会被耗尽，所以说这个“工厂”只要一直供应燃料，就会持续产生电能。燃料电池至少由两个电极即阳极和阴极，并由电解质隔开[1]。
研究燃料电池，我们首先要知道燃料电池的一些优势。第一点，燃料电池只要提供燃料，就能够发电[24]。其次，燃料电池是电化学能量转化装置，它与原电池有共同特性。燃料电池结合了内燃机和电池的优点。第三点，燃料电池把化学能转换电能，效率通常情况下远高于内燃机[5]。第四，燃料电池是理想的全固态机械机构，没有多余可移动的部件，这样的系统具有高可靠性与长寿性。并且，正是由于没有可移动部件，也就意味着燃料电池非常安静。第五点，不良生成物产生的很少。燃料电池不同于普通电池，它允许在功率和容量之间随意地缩放比例，而普通的电池的功率和容量常常是相互关联的，因此很难做到大尺寸[6]，并且燃料电池具有较高能量密度。最后一点，燃料电池可以快速充电，然而普通电池要么扔掉，要么耗时地去充电。
燃料电池实际应用中的瓶颈是成本昂贵，正是由于成本的限制，当前燃料电池技术只在几个特殊的领域具有经济竞争优势[7]。其次，功率密度也是一个重要的限制因素。最后，燃料的可用性和存储是否方便都是难题，以上问题都会降低燃料性能，同时会增加对辅助的设备的一些额外要求。与此同时，燃料电池也会对工作温度之间的兼容性，对环境性的敏感程度都是它不可消除的局限性[8]。
随着进一步地学习和了解，我们会把燃料电池分为5大类型：磷酸盐类型的燃料电池，聚合物电解质膜类型的燃料电池，碱性类型的燃料电池，以及熔融碳酸盐类型的燃料电池以及固体氧化物类型的燃料电池[9]。燃料电池都是基于相同的电化学的基本原理，但是它们却工作在不同的温度区间，使用不同的材料并且对燃料的抗毒性以及性能特性都不同。
固体燃料电池凭借着初始能源从而转化成电子流与此同时会产生电能，换句话说，燃料中的能量会传送给电子进而形成了电流。燃料电池通常情况下是被设计成平板结构的，它一边提供阳极燃料，一边提供氧化物也就是阴极的电极。这里的阳极是指发生氧化反应的电极，而氧化是指电子从一种物质分离出来，即释放电子[10]。同理，阴极是指发生还原反应的电极，而还原反应是指电子被加到另一种物质上，也就是消耗电子。
燃料电池的性能是由电流和电压曲线来评估的，它表示在一个给定的电流负载下，燃料电池输出的电压。然而，实际的燃料电池性能总是比理想的燃料电池的性能差的，原因是它的损耗[11]。而这种损耗情况主要包括以下的三种类型：即活化损耗型，欧姆损耗型以及浓度损耗型。合理地使用燃料电池是对环境非常友好的，因此这也是相比于其他能量转化技术的一大独一无二的优势[12]。所以，燃料电池对环境的影响是非常依赖于它的应用背景的。合理地配置资源，将是燃料电池未来发展前景所在[13]。
1.2 燃料电池的热力学
热力学是可以得出燃料电池各个参数的理论边界值。热力学它最大的本质所在就是，能够描述出能量，压强，温度，和体积等热力学重要的参量。
热力学第一定律即能量守恒定律——它表明能量不可能凭空产生或湮灭[14]。封闭系统和环境之间的能量传递存在两种方式：传热（Q）或者是做功（W），于是，就可以把热力学第一定律写成这种形式：
（11）
热力学第二定律是引入熵的概念。而熵是系统混乱程度的度量，一个系统的熵通常情况下只能通过传热的方式对系统熵变的影响得出。对于压强恒定可逆热传递过程[15]，系统的熵变是：
（12）
温度T和压强P是一种可观测量。即用一种新的热力学势G（T，p）：。即，这个函数称作吉布斯自由能。为了获得一个由S和P表示的热力学势，我们需要对U进行变换。新的热力学势能H：
（13）
（14）
内能（U）：指在温度体积不变的情况下建立的一个系统所需要的能量。焓（H）：建立起一个系统所需的能量加上系统创建相应的空间所做的功。亥姆霍兹自由能（F）：在温度不变的情况下，建立一个系统所需要的能量再减去系统可以从周围的环境中自发传热获取的能量。吉布斯自由能（G）：建立一个系统所需要的能量再加上系统创建相应的空间功，减去系统可以从周围的环境中自发传热获得的能量[16]。
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