球形颗粒堆积方法研究电极有效性质(附件)【字数：19435】
摘 要摘 要固体氧化物燃料电池（SOFC）经过了多年发展，相比以前性能已经有了巨大提升。电极的各种性能对SOFC的整体性能起着十分关键的作用，所以研究电极的有效性质成为了非常重要的课题，尤其是对有效电导率和有效扩散系数的研究。第一章绪论内容首先介绍了当前世界上的能源现状以及燃料电池的研究背景，接着介绍了燃料电池的原理、组成和优缺点，然后着重介绍了固体氧化物燃料电池的电极发展史和电极的组成。第二章的主要内容为模型的建立。首先介绍了建立模型所使用的EDEM软件，然后将SOFC的电极模型看成为球颗粒堆积而成，接着利用EDEM软件进行了不同尺寸模型的建立，本文根据堆积颗粒的不同一共建立了三种模型。第三章的主要内容为对模型的处理。在处理模型的过程中本文采取了一种用点来代替堆积颗粒的思想。首先通过MATLAB软件对模型进行等价处理，然后将模型重新导入COMSOL软件，使之能够进行有效性质的计算分析。第四章的主要内容为对模型一的计算和分析。首先根据模型一推导出能体现出电极整体性质的模型的大小至少为15 μm，本文选定20 μm模型进行分析。然后通过改变模型中导电相的体积分数进行有效电导率和有效扩散系数的计算分析，最后得出了有效电导率与导电相的体积分数之间的函数关系和有效扩散系数与孔隙率之间的函数关系。关键词SOFC；电极模型；有效电导率；有效扩散系数
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景以及意义 1
1.2 燃料电池的简单介绍 2
1.2.1 燃料电池中的化学反应 3
1.2.2 燃料电池的优缺点 4
1.3 固体氧化物燃料电池 6
1.4 本章小结 8
第二章 模型的建立 9
2.1 EDEM软件简介 9
2.2 球形颗粒堆积模型的建立 10
2.2.1 Global界面的设置 11
2.2.2 Particles界面设置 12
2.2.3 Geometry 的设置 13
2.2.4 Factories的设置 16
2.2.5 仿真参数的设置 21
2.2.6 仿真过程 23
2.2.7 模型的数据导出 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.3 模型一：等直径颗粒模型 25
2.4 模型二：直径呈正态分布的颗粒模型 26
2.5 模型三：box尺寸相同正态分布不同的颗粒模型 28
2.6 本章小结 28
第三章 模型的处理 30
3.1 MATLAB对模型的处理 30
3.1.1 模型的处理思想 30
3.1.2 模型的处理过程 31
3.2 COMSOL软件对模型的处理 33
3.3 模型处理思想的验证 34
3.4 本章小结 37
第四章 计算与数据分析 38
4.1 电极有效性质的说明 38
4.2 确定具有代表性的模型的尺寸 38
4.2.1 有效电导率的计算方法 39
4.2.2 电流值的计算 40
4.2.3 确定最小模型的尺寸 43
4.3 20 μm模型的计算分析 46
4.3.1 有效电导率的计算与分析 46
4.3.2 有效扩散系数的计算与分析 50
4.4 本章小结 52
总 结 53
致 谢 54
参 考 文 献 55
第一章 绪论
1.1 研究的背景以及意义
1776年，世界上一个伟大的科学家瓦特成功的改良了蒸汽机，瓦特改良的这台蒸汽机轰动了整个欧洲，因为经过改良的蒸汽机完全可以进行工业生产，这个消息一经传出，便掀起了一场关于蒸汽机的大运作，后来人们把这样的一场大运作称作为第一次工业革命。在整个工业革命期间，有无数的蒸汽机被制造出来，它们被用在轮船上、汽车上、车上、织布机上等等，那时的地球还很年轻，身强力壮，不知道什么叫做透支，各种资源都非常丰富，地球像一个慷慨的富商，像人类无私的输出着各种的能源，煤、木材统统无限量供应。而那时的人类想一个永远都吃不饱的婴儿，总是索取着，总以为永远都不会有挨饿的一天。那时候人类刚刚进入到机械化时代，对一切都朦朦胧胧，还没有对能源这个词进行过仔细的思考，所以从第一次工业革命开始，地球上的化石能源就开始加速减少[1]。
1870年，人类经过了一百多年的发展奋斗，在以强大的能源为支柱的情况下，科学技术发展飞快，短时间内就面试了各种各样的机械化设备。又有一个伟大的人发现了一种叫做电的东西，从此以后，人们开始讲重点放在电的研究上，所以这种叫做电的东西的出现引发了世界性的第二次工业革命。很快电力的发展就已经超过了人民的的期待，然后全世界开始建立各种火力发电厂，以煤为最基础的燃料,受到电力熏陶的人们又在那时发明了改变人类交通的一种机械，那就是内燃机的发明，内燃机发明以后各种各样子的交通工具开始问世，人们又开始将能源转到地下的石油上来。转眼又经过了一百年的时间，地球上的人类已经增长到了60亿人，各种各样的工厂都在24小时进行开工，生产着生活的必需品的同时也能为自己获取一部分利益。生活发生了不可想象的变化，生活水平有了巨大的提升，但是同时地球环境再也回不到以前的蓝天白云，工业化的大量普及对环境造成了极大的伤害，雾霾漫天。这个时候，随着科学技术的提高人们的探测水平也得到了极大地提高，在人们生活正富足的时候却传来了一个晴天霹雳，经过探测，地球上的能源即将耗尽，几十年至几百年之后地球上的煤、石油、天然气将消失殆尽，如果现在不寻找替代能源的话，到了几十几百年后，地球上的能源将枯竭[2]，人类再也没有能源可以利用，那么人类的前途可想而知。所以现在21世纪有一个新名词正在发挥着重要的作用，那就是“新能源”。就现在的科学技术而言新能源主要包括太阳能、氢能、生物质能以及风能、潮汐能等[1]，新能源的主要优点与化石能源比起就是它的可再生性，不像化石能源生产周期长，用光了地球上的化石能源下一次能够继续开采就不知道是在几千年之后了，所以新能源的尽快开发和利用对于解决全世界的能源危机来说已经成了必然。
在众多的新能源中，燃料电池突然地崛起让所有人都眼前一亮，燃料电池拥有着巨大的潜能，它可以利用很少的化学能提供大量能源，最大的一个优点就是燃料电池是完全清洁的能源，它的工作产物是H2 O，对空气、水资源等没有任何的破坏[3]。而在燃料电池的众多种类中，固体氧化物燃料电池的潜能最大，最具有可开发性，因为它的效率最高，如果固体氧化物燃料电池有突破性的进展的话，现在世界基本上所有用电来工做的机器，都可以换成固体氧化物燃料电池来进行工作，首先所有的交通工具可换成纯电车，续航能力有保障，不污染环境，解决了石油的能源危机。固体氧化物燃料电池在不污染环境的同时还解决了一大部分的能源问题，所以对固体氧化物燃料电池的开发和利用是非常具有实际意义的。
燃料电池电极的良好导电性对于燃料电池的整体性能有极为重要的影响，可以说起着很大一部分的决定性作用，所以如何提高燃料电池电极的性能在燃料电池的发展的过程中是不和或缺的研究课题，本论文所研究的“球形颗粒堆积研究电极的有效性质”也非常具有实际意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景以及意义 1
1.2 燃料电池的简单介绍 2
1.2.1 燃料电池中的化学反应 3
1.2.2 燃料电池的优缺点 4
1.3 固体氧化物燃料电池 6
1.4 本章小结 8
第二章 模型的建立 9
2.1 EDEM软件简介 9
2.2 球形颗粒堆积模型的建立 10
2.2.1 Global界面的设置 11
2.2.2 Particles界面设置 12
2.2.3 Geometry 的设置 13
2.2.4 Factories的设置 16
2.2.5 仿真参数的设置 21
2.2.6 仿真过程 23
2.2.7 模型的数据导出 24 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.3 模型一：等直径颗粒模型 25
2.4 模型二：直径呈正态分布的颗粒模型 26
2.5 模型三：box尺寸相同正态分布不同的颗粒模型 28
2.6 本章小结 28
第三章 模型的处理 30
3.1 MATLAB对模型的处理 30
3.1.1 模型的处理思想 30
3.1.2 模型的处理过程 31
3.2 COMSOL软件对模型的处理 33
3.3 模型处理思想的验证 34
3.4 本章小结 37
第四章 计算与数据分析 38
4.1 电极有效性质的说明 38
4.2 确定具有代表性的模型的尺寸 38
4.2.1 有效电导率的计算方法 39
4.2.2 电流值的计算 40
4.2.3 确定最小模型的尺寸 43
4.3 20 μm模型的计算分析 46
4.3.1 有效电导率的计算与分析 46
4.3.2 有效扩散系数的计算与分析 50
4.4 本章小结 52
总 结 53
致 谢 54
参 考 文 献 55
第一章 绪论
1.1 研究的背景以及意义
1776年，世界上一个伟大的科学家瓦特成功的改良了蒸汽机，瓦特改良的这台蒸汽机轰动了整个欧洲，因为经过改良的蒸汽机完全可以进行工业生产，这个消息一经传出，便掀起了一场关于蒸汽机的大运作，后来人们把这样的一场大运作称作为第一次工业革命。在整个工业革命期间，有无数的蒸汽机被制造出来，它们被用在轮船上、汽车上、车上、织布机上等等，那时的地球还很年轻，身强力壮，不知道什么叫做透支，各种资源都非常丰富，地球像一个慷慨的富商，像人类无私的输出着各种的能源，煤、木材统统无限量供应。而那时的人类想一个永远都吃不饱的婴儿，总是索取着，总以为永远都不会有挨饿的一天。那时候人类刚刚进入到机械化时代，对一切都朦朦胧胧，还没有对能源这个词进行过仔细的思考，所以从第一次工业革命开始，地球上的化石能源就开始加速减少[1]。
1870年，人类经过了一百多年的发展奋斗，在以强大的能源为支柱的情况下，科学技术发展飞快，短时间内就面试了各种各样的机械化设备。又有一个伟大的人发现了一种叫做电的东西，从此以后，人们开始讲重点放在电的研究上，所以这种叫做电的东西的出现引发了世界性的第二次工业革命。很快电力的发展就已经超过了人民的的期待，然后全世界开始建立各种火力发电厂，以煤为最基础的燃料,受到电力熏陶的人们又在那时发明了改变人类交通的一种机械，那就是内燃机的发明，内燃机发明以后各种各样子的交通工具开始问世，人们又开始将能源转到地下的石油上来。转眼又经过了一百年的时间，地球上的人类已经增长到了60亿人，各种各样的工厂都在24小时进行开工，生产着生活的必需品的同时也能为自己获取一部分利益。生活发生了不可想象的变化，生活水平有了巨大的提升，但是同时地球环境再也回不到以前的蓝天白云，工业化的大量普及对环境造成了极大的伤害，雾霾漫天。这个时候，随着科学技术的提高人们的探测水平也得到了极大地提高，在人们生活正富足的时候却传来了一个晴天霹雳，经过探测，地球上的能源即将耗尽，几十年至几百年之后地球上的煤、石油、天然气将消失殆尽，如果现在不寻找替代能源的话，到了几十几百年后，地球上的能源将枯竭[2]，人类再也没有能源可以利用，那么人类的前途可想而知。所以现在21世纪有一个新名词正在发挥着重要的作用，那就是“新能源”。就现在的科学技术而言新能源主要包括太阳能、氢能、生物质能以及风能、潮汐能等[1]，新能源的主要优点与化石能源比起就是它的可再生性，不像化石能源生产周期长，用光了地球上的化石能源下一次能够继续开采就不知道是在几千年之后了，所以新能源的尽快开发和利用对于解决全世界的能源危机来说已经成了必然。
在众多的新能源中，燃料电池突然地崛起让所有人都眼前一亮，燃料电池拥有着巨大的潜能，它可以利用很少的化学能提供大量能源，最大的一个优点就是燃料电池是完全清洁的能源，它的工作产物是H2 O，对空气、水资源等没有任何的破坏[3]。而在燃料电池的众多种类中，固体氧化物燃料电池的潜能最大，最具有可开发性，因为它的效率最高，如果固体氧化物燃料电池有突破性的进展的话，现在世界基本上所有用电来工做的机器，都可以换成固体氧化物燃料电池来进行工作，首先所有的交通工具可换成纯电车，续航能力有保障，不污染环境，解决了石油的能源危机。固体氧化物燃料电池在不污染环境的同时还解决了一大部分的能源问题，所以对固体氧化物燃料电池的开发和利用是非常具有实际意义的。
燃料电池电极的良好导电性对于燃料电池的整体性能有极为重要的影响，可以说起着很大一部分的决定性作用，所以如何提高燃料电池电极的性能在燃料电池的发展的过程中是不和或缺的研究课题，本论文所研究的“球形颗粒堆积研究电极的有效性质”也非常具有实际意义。
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