新型并流平板燃料电池堆结构性能评价与优化(附件)【字数：14459】
不仅仅是工业的发展需要能源，人类正常的生活也离不开能源，但是传统的能源都是不可再生的，随着时间的推移会越来越少。燃料电池以其较高的转换效率、可以使用多种燃料、可以作为分布式电源、较低的噪音和清洁等优点逐渐吸引了人们的注意。用电解质来区分燃料电池时，燃料电池可以分为以下六种类型熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；直接甲醇燃料电池（DMFC）；聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）；磷酸燃料电池（PAFC）；碱性燃料电池（AFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell）又比其他类型的燃料电池具有着更多的优势，比如所使用的燃料的普适性，催化剂的较强抗毒性和环保等。也就是以上的这些优点让SOFC成为近年来研究的热门。SOFC的常见构型有管式、瓦楞式和平板式三种。其中平板式SOFC以其阳极板、阴极板和电解质都是平板型而得名。本文主要针对澳大利亚陶瓷国际公司开发的新型平板型固体氧化物燃料电池堆流道结构建立20层的空气和燃料流道三维模型，并进行流场均匀性分析和优化设计工作。首先，我们会用Gambit软件对我们的研究对象进行建模并进行网格划分，然后我们会在Fluent软件中导入网格，并对其进行求解和分析，查看电堆层面以及电池内部单电池表面的流体质量流量分布质量，并导入到excel表格中对它们进行分析，评价他们的流体分配质量。第一章主要介绍与燃料电池相关的一些基础知识。包括燃料电池的基本工作原理、优缺点和分类。后面主要介绍固体氧化物燃料电池的基本理论、优点、缺点和构造。这章主要是让我们了解固体氧化物燃料电池，意识到研究SOFC的重要性，同时也阐述了本文的研究意义。第二章主要讲平板状SOFC的数值模拟。因为SOFC的结构比较复杂，对其内部运行细节的监测也比较复杂。因此，人们发展了各种高效的数学方程和数学模型来模拟SOFC内部工作细节，让SOFC研究变得直观简洁。后面对本文采用的计算流体动力学（CFD）软件的工作过程进行简要介绍。第三章重点讲解了本文的主要研究对象澳洲陶瓷国际公司报道的新型并流型平板SOFC电堆的基本特征，并针对20层固体氧化物燃料电池堆的空气和燃料流道进行三维建模计算，分析其内部的空气和燃料的流动分布特征。并重点研究和对比了U型、Z型和S型三种不同氢气通道下电堆层面和电池单元内部的流体分配质量。并得出具有优化结论。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
第四章主要是总结本文的主要工作内容。关键词固体氧化物燃料电池堆结构优化，新型并流型流道结构，计算流体动力学，流体分配质量。
Key words: solid oxide fuel cell stack, novel parallel flow plate, calculated fluid dynamics, numerical simulating, flow distribution quality, performance prediction 目 录
第一章 绪论 1
1.1 能源与环境 1
1.2 燃料电池 1
1.2.1 燃料电池的原理 1
1.2.2 燃料电池的分类 1
1.2.3 燃料电池的优点和缺点 2
1.3 固体氧化物燃料电池 2
1.3.1 SOFC的工作原理 3
1.3.2 SOFC的常见构型 4
1.3.3 SOFC各部件的材料 7
第二章 SOFC的数值模型 10
2.1 SOFC数值模型的研究历史 10
2.2 SOFC的数学基础和理论分析 10
2.2.1 理想电势 10
2.2.2 极化损失 11
2.3 SOFC内各部分的输运模型 12
2.3.1 气道的输运模型 12
2.3.2 多孔电极里的输运模型 12
2.3.3 SOFC电解质里的输运模型 14
2.4 气道研究基本理论 15
2.4.1 流体黏性和雷诺数 15
2.4.2 气道两端压强差与质量流量之间的关系 15
2.5 CFD软件介绍 15
2.5.1 对气道进行前期处理的软件——Gambit 16
2.5.2 对气道进行后期处理的软件——Fluent 16
第三章 平板燃料电池空气和燃料管道建模与分析 18
3.1 新型燃料电池电堆流道结构 18
3.2 20层燃料电池堆空气流道分析 19
3.2.1 空气管道模型的建立与网格划分 19
3.2.2 空气管道模型的求解分析 20
3.2.3 电堆层面均匀度分析 23
3.2.4 电池单元层面rib管道均匀度分析 23
3.3 20层燃料电池堆U，Z，S型燃料管道优化分析 23
3.3.1 燃料管道模型的建立与划分 23
3.2.2 燃料管道模型的求解分析 28
3.3.3 电池堆层面均匀度分析 36
3.3.4 电池单元层面rib管道均匀度分析 36
第四章 结论 38
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 能源与环境
社会的发展离不开能源，而传统的不可再生的矿物燃料由于人类的无限制的开采已经逐渐枯竭，因此，寻找新能源代替传统的矿物燃料迫在眉睫。这些年随着重工业的迅速发展，消耗大量的不可再生能源的同时对环境也造成了很大的负担。同时，人类使用矿物燃料的时候会对环境造成很大的负担，如今，中国各个地方的人们深受环境污染之害。我们需要加快研究新型能源来代替传统能源的脚步。
风能、太阳能、核能、潮汐能、化学能、氢能、生物质能和地热能等能源都属于新型能源[1]。如果我们能够用新型能源来代替传统能源，那么这将对解决能源危机和环境污染等问题做出巨大的贡献。
1.2 燃料电池
1.2.1 燃料电池的原理
燃料电池（Fuel Cell)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置[2]。从表面上看，燃料电池像蓄电池一样有阳极、阴极和电解质，但从本质上来看，它并不能储存电量，而是需要化学反应就能够发电的“发电厂”[3]。
1.2.2 燃料电池的分类
随着社会的发展，燃料电池已经发展出了很多的种类，我们可以根据电解质的不同将燃料电池分为以下六种类型：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；直接甲醇燃料电池（DMFC）；聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）；磷酸燃料电池（PAFC）；碱性燃料电池（AFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）[4]。这六种燃料电池的不同如表11所示。
表11 六种燃料电池的比较[5]
类型
移动的离子
工作温度
应用
MCFC
CO32
650℃
中型至大型CHP系统，可达MW
DMFC
H+
2090℃
运行时间长、低功率的便携设备
PEMFC
H+
30100℃
低功率CHP系统、汽车和移动设备
PAFC
H+
220℃
很多200 KW的CHP系统正在应用
AFC
OH
50200℃
空间飞船上的电源（运载工具）
SOFC
O2
501000℃
第四章主要是总结本文的主要工作内容。关键词固体氧化物燃料电池堆结构优化，新型并流型流道结构，计算流体动力学，流体分配质量。
Key words: solid oxide fuel cell stack, novel parallel flow plate, calculated fluid dynamics, numerical simulating, flow distribution quality, performance prediction 目 录
第一章 绪论 1
1.1 能源与环境 1
1.2 燃料电池 1
1.2.1 燃料电池的原理 1
1.2.2 燃料电池的分类 1
1.2.3 燃料电池的优点和缺点 2
1.3 固体氧化物燃料电池 2
1.3.1 SOFC的工作原理 3
1.3.2 SOFC的常见构型 4
1.3.3 SOFC各部件的材料 7
第二章 SOFC的数值模型 10
2.1 SOFC数值模型的研究历史 10
2.2 SOFC的数学基础和理论分析 10
2.2.1 理想电势 10
2.2.2 极化损失 11
2.3 SOFC内各部分的输运模型 12
2.3.1 气道的输运模型 12
2.3.2 多孔电极里的输运模型 12
2.3.3 SOFC电解质里的输运模型 14
2.4 气道研究基本理论 15
2.4.1 流体黏性和雷诺数 15
2.4.2 气道两端压强差与质量流量之间的关系 15
2.5 CFD软件介绍 15
2.5.1 对气道进行前期处理的软件——Gambit 16
2.5.2 对气道进行后期处理的软件——Fluent 16
第三章 平板燃料电池空气和燃料管道建模与分析 18
3.1 新型燃料电池电堆流道结构 18
3.2 20层燃料电池堆空气流道分析 19
3.2.1 空气管道模型的建立与网格划分 19
3.2.2 空气管道模型的求解分析 20
3.2.3 电堆层面均匀度分析 23
3.2.4 电池单元层面rib管道均匀度分析 23
3.3 20层燃料电池堆U，Z，S型燃料管道优化分析 23
3.3.1 燃料管道模型的建立与划分 23
3.2.2 燃料管道模型的求解分析 28
3.3.3 电池堆层面均匀度分析 36
3.3.4 电池单元层面rib管道均匀度分析 36
第四章 结论 38
致谢 40
参考文献 41
第一章 绪论
1.1 能源与环境
社会的发展离不开能源，而传统的不可再生的矿物燃料由于人类的无限制的开采已经逐渐枯竭，因此，寻找新能源代替传统的矿物燃料迫在眉睫。这些年随着重工业的迅速发展，消耗大量的不可再生能源的同时对环境也造成了很大的负担。同时，人类使用矿物燃料的时候会对环境造成很大的负担，如今，中国各个地方的人们深受环境污染之害。我们需要加快研究新型能源来代替传统能源的脚步。
风能、太阳能、核能、潮汐能、化学能、氢能、生物质能和地热能等能源都属于新型能源[1]。如果我们能够用新型能源来代替传统能源，那么这将对解决能源危机和环境污染等问题做出巨大的贡献。
1.2 燃料电池
1.2.1 燃料电池的原理
燃料电池（Fuel Cell)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置[2]。从表面上看，燃料电池像蓄电池一样有阳极、阴极和电解质，但从本质上来看，它并不能储存电量，而是需要化学反应就能够发电的“发电厂”[3]。
1.2.2 燃料电池的分类
随着社会的发展，燃料电池已经发展出了很多的种类，我们可以根据电解质的不同将燃料电池分为以下六种类型：熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；直接甲醇燃料电池（DMFC）；聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）；磷酸燃料电池（PAFC）；碱性燃料电池（AFC）；固体氧化物燃料电池（SOFC）[4]。这六种燃料电池的不同如表11所示。
表11 六种燃料电池的比较[5]
类型
移动的离子
工作温度
应用
MCFC
CO32
650℃
中型至大型CHP系统，可达MW
DMFC
H+
2090℃
运行时间长、低功率的便携设备
PEMFC
H+
30100℃
低功率CHP系统、汽车和移动设备
PAFC
H+
220℃
很多200 KW的CHP系统正在应用
AFC
OH
50200℃
空间飞船上的电源（运载工具）
SOFC
O2
501000℃
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