几何特性参数对扁管式sofc性能影响的分析(附件)【字数：12014】
摘 要摘 要 扁管式固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种非常具有商业化价值的能量互换装置，它具有高能、清洁，力学性能比较强等优点。而且它具有单元组装结构简单，密封简单，相对于其他的电池比较容易通过并联或者串联组装到一起成为大功率的电池堆，体积小，反映表面积比较大，更容易保温、携带、移动等优点。部分的传统实验成本高、耗费时间、消耗精力，为此这里利用COMSOL软件对选题进行数学模拟的方法来进行研究，这样既可以帮助钻研者深入了解SOFC的运行过程，又能易懂的分析各种参数对SOFC性能的影响，然后进行有目的的优化设计。 本文通过创建阳极支撑扁管式SOFC数学模型，用以研究几何特性参数对其的性能影响。改变此模型的阳极厚度，流道长度和宽度，连接体的的宽度等几何特性参数后，通过和原标准模型对比，研究阳极氢气浓度，电极电势，阴极氧气浓度，电解质电势以及连接体电势的变化，进一步研究其性能影响，当改变阳极的厚度，阳极-阴极-电解质处的电势有稍微提高，增加阳极区的厚度有可能提高扁管式SOFC的电势性能。改变连接体的宽度，电势极值也发生了变化，有变高的趋势。改变流道的高度和长度，寻找到最优的长宽配比能够优化其进气参数和提供充足的反应物，从而使其各项性能得到提高。关键词燃料电池；扁管式SOFC；几何特性参数；阳极支撑
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 燃料电池 1
1.2.1 燃料电池的发展史 1
1.2.2 国内外研究现状 2
1.3 SOFC基本原理和类型 2
1.3.1 SOFC基本原理 3
1.3.1 SOFC基本类型 4
1.4 SOFC支撑结构 7
1.5连接体材料 7
1.6密封材料 7
1.7扁管式SOFC的优点 8
第二章 SOFC数值模型基础 9
2.1 SOFC数值模型 9
2.2电池气道内输运模型 9
2.3多孔电极内的输运模型 10
2.4电解质内的输运模型 11
2.5连接板的输运模型 11
2.6气道流动状态的定义 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.7实际工作电压 12
2.8导电方程 12
2.9边界条件 12
第三章 建立SOFC模型以及性能分析 15
3.1物理模型 15
3.2模型的参数 15
3.3创建几何模型 17
3.4 物理场区域和参数设定 19
3.5网格划分 20
3.6改变阳极厚度 21
3.7改变流道长宽 29
3.8改变连接体宽度 32
3.9结果分析 35
第四章 总结和展望 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1引言
随着当今世界的工业水平快速发展，煤、石油等等传统燃料的储量有限，消耗严重，若干年后会被消耗殆尽。而且随着传统燃料的不断减少，价格也在不断的攀升，再加上化石能源的使用给我们生存环境带来了很多挑战，比如酸雨，大气污染，温室效应等问题。我国是个能源不足的国家，面临的能源问题很严峻，石油储量世界占比很少，目前我国的主要能源构成主体是煤炭，而煤炭的大量燃烧会破坏生态平衡，严重的威胁着我们的生存和发展，使得我们不得不考虑新能源来代替传统的能源。
目前人类面临着能源的危机和众多环境问题，不断的探索和研发新能源技术，固体燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的发电装置，它可以直接把化学能转化为电能，具有很高的可靠性，不仅如此，固体燃料电池它工作的排放物几乎为零，对环境的污染能够最大限度地得到降低。应用范围也很广阔，也是目前认为最有应用前景的绿色发电装置，能够最大限度地缓解现如今的能源短缺和环境污染问题，被认为是在未来最有可能代替传统化石燃料的新能源，受到国内外高度关注。
1.2燃料电池
1.2.1燃料电池的发展历史
燃料电池技术是一项，英国的律师兼职科学家 William Grove于1839年第一个完成燃料电池演示实验。采用燃料电池这个称号的是在1889年的时候Mood和Langer最先使用的，同时他们在燃料电池中获取了200 mA/m2的电流密度。从 在二十世纪三十年代之前燃料电池的研究一直没有得到很有效的提高。一直到二十世纪五十年代的时候由培根 [1]（F. T. Bacon）研制出能够真正工作的碱性燃料电池，对此才能够得到政府和诸多的科研机构的重视。等到了二十世纪六十年代碱性燃料电池不仅为宇航员提供电源而且还为其提供水源。由于二氧化碳能够使碱性燃料电池的性能下降，大大的制约了它的快速发展。二十世纪六十年代初期，通用公司为美国宇航局双子星座飞船提供的电源的质子交换膜燃料电池具备如下优点工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等。在二十世纪七十年代到八十年代期间，由于PEMFC 需要的催化剂量太大和电解水维护难度高，阻碍了PEMFC 的发展。在二十世纪九十年代，出现了一种新型的质子交换膜 Nafion 并且成功的应用在了PEMFC，使得其重新受到人们的喜爱，但是其的一路走来的商业用途不是特别光明。对此需要不断寻找新型的催化剂，因为原来的催化剂容易造成一氧化碳的中毒，铂的储量稀少等等问题的制约，新的催化剂最好具备便宜，储量丰富的特点才能取代原先的，才能够促使其不断的向前发展。于1905年SOFC被一个叫做Haber的人第一次申请SOFC的专利后，SOFC便开始了它的全新旅程。制约着SOFC的快速发展的原因有过高的工作温度容易引起材料失效的问题和催化剂存在缺点的等原因。但是陶瓷制备工艺的不断向前发展，SOFC的前途也是一片光明，电解质的厚度很大程度的降低，优秀的性能也显现出来，很多科学家又重新燃起了对SOFC的研究热情。一直到现在无数的研究者都不断投入到SOFC的研究浪潮中去。
1.2.2国内外研究现状
SOFC经过了多年不断探索和创新，但对于扁管式SOFC的研究更是少之又少，目前只有SiemensWestinghouse公司正在进行的扁管式SOFC最具有研究价值，但是无论何种类型的SOFC，具体的研究进程主要有两个：相对简义的气道分析和多种物理场完整耦合的性能分析，在二十一世纪初之前，人们主要针对电池的气道作为研究 [2]，因此科研工作者们研究SOFC时仅限于单一气道流动、压力分析，或者是电极分析，然而电池内部各个部件各个区域流体的流动是相互关联的，只有将电池气道和电极联合分析才能得到与真实值更接近的优化结果。于是之后的科研工作者们不断开发新的优化思路，将电极与气道相结合，考虑电化学反应过程引起的热量、动量以及物质组分的变化，选择流动分布较均匀的电池气道结构，对SOFC的优化与发展有很大帮助。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 燃料电池 1
1.2.1 燃料电池的发展史 1
1.2.2 国内外研究现状 2
1.3 SOFC基本原理和类型 2
1.3.1 SOFC基本原理 3
1.3.1 SOFC基本类型 4
1.4 SOFC支撑结构 7
1.5连接体材料 7
1.6密封材料 7
1.7扁管式SOFC的优点 8
第二章 SOFC数值模型基础 9
2.1 SOFC数值模型 9
2.2电池气道内输运模型 9
2.3多孔电极内的输运模型 10
2.4电解质内的输运模型 11
2.5连接板的输运模型 11
2.6气道流动状态的定义 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
2.7实际工作电压 12
2.8导电方程 12
2.9边界条件 12
第三章 建立SOFC模型以及性能分析 15
3.1物理模型 15
3.2模型的参数 15
3.3创建几何模型 17
3.4 物理场区域和参数设定 19
3.5网格划分 20
3.6改变阳极厚度 21
3.7改变流道长宽 29
3.8改变连接体宽度 32
3.9结果分析 35
第四章 总结和展望 37
致谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1引言
随着当今世界的工业水平快速发展，煤、石油等等传统燃料的储量有限，消耗严重，若干年后会被消耗殆尽。而且随着传统燃料的不断减少，价格也在不断的攀升，再加上化石能源的使用给我们生存环境带来了很多挑战，比如酸雨，大气污染，温室效应等问题。我国是个能源不足的国家，面临的能源问题很严峻，石油储量世界占比很少，目前我国的主要能源构成主体是煤炭，而煤炭的大量燃烧会破坏生态平衡，严重的威胁着我们的生存和发展，使得我们不得不考虑新能源来代替传统的能源。
目前人类面临着能源的危机和众多环境问题，不断的探索和研发新能源技术，固体燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的发电装置，它可以直接把化学能转化为电能，具有很高的可靠性，不仅如此，固体燃料电池它工作的排放物几乎为零，对环境的污染能够最大限度地得到降低。应用范围也很广阔，也是目前认为最有应用前景的绿色发电装置，能够最大限度地缓解现如今的能源短缺和环境污染问题，被认为是在未来最有可能代替传统化石燃料的新能源，受到国内外高度关注。
1.2燃料电池
1.2.1燃料电池的发展历史
燃料电池技术是一项，英国的律师兼职科学家 William Grove于1839年第一个完成燃料电池演示实验。采用燃料电池这个称号的是在1889年的时候Mood和Langer最先使用的，同时他们在燃料电池中获取了200 mA/m2的电流密度。从 在二十世纪三十年代之前燃料电池的研究一直没有得到很有效的提高。一直到二十世纪五十年代的时候由培根 [1]（F. T. Bacon）研制出能够真正工作的碱性燃料电池，对此才能够得到政府和诸多的科研机构的重视。等到了二十世纪六十年代碱性燃料电池不仅为宇航员提供电源而且还为其提供水源。由于二氧化碳能够使碱性燃料电池的性能下降，大大的制约了它的快速发展。二十世纪六十年代初期，通用公司为美国宇航局双子星座飞船提供的电源的质子交换膜燃料电池具备如下优点工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等。在二十世纪七十年代到八十年代期间，由于PEMFC 需要的催化剂量太大和电解水维护难度高，阻碍了PEMFC 的发展。在二十世纪九十年代，出现了一种新型的质子交换膜 Nafion 并且成功的应用在了PEMFC，使得其重新受到人们的喜爱，但是其的一路走来的商业用途不是特别光明。对此需要不断寻找新型的催化剂，因为原来的催化剂容易造成一氧化碳的中毒，铂的储量稀少等等问题的制约，新的催化剂最好具备便宜，储量丰富的特点才能取代原先的，才能够促使其不断的向前发展。于1905年SOFC被一个叫做Haber的人第一次申请SOFC的专利后，SOFC便开始了它的全新旅程。制约着SOFC的快速发展的原因有过高的工作温度容易引起材料失效的问题和催化剂存在缺点的等原因。但是陶瓷制备工艺的不断向前发展，SOFC的前途也是一片光明，电解质的厚度很大程度的降低，优秀的性能也显现出来，很多科学家又重新燃起了对SOFC的研究热情。一直到现在无数的研究者都不断投入到SOFC的研究浪潮中去。
1.2.2国内外研究现状
SOFC经过了多年不断探索和创新，但对于扁管式SOFC的研究更是少之又少，目前只有SiemensWestinghouse公司正在进行的扁管式SOFC最具有研究价值，但是无论何种类型的SOFC，具体的研究进程主要有两个：相对简义的气道分析和多种物理场完整耦合的性能分析，在二十一世纪初之前，人们主要针对电池的气道作为研究 [2]，因此科研工作者们研究SOFC时仅限于单一气道流动、压力分析，或者是电极分析，然而电池内部各个部件各个区域流体的流动是相互关联的，只有将电池气道和电极联合分析才能得到与真实值更接近的优化结果。于是之后的科研工作者们不断开发新的优化思路，将电极与气道相结合，考虑电化学反应过程引起的热量、动量以及物质组分的变化，选择流动分布较均匀的电池气道结构，对SOFC的优化与发展有很大帮助。
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