固体氧化物燃料电池多场耦合建模及内短路机理研究

发布时间：2020-04-01 18:44

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高、反应速率快、全固态结构以及燃料气适应性广等优点,是解决当今能源危机和环境污染问题的有效途径之一。SOFC多场耦合仿真技术有利于理解电池内部的电化学反应过程、物质迁移过程和各物理场分布,对指导实验研究和提升电池综合性能有着至关重要的作用。本文首先通过耦合损耗型输出电压模型和流体动力学模型介绍了SOFC多场耦合建模的基本构架。对比了损耗型输出电压模型中欧姆定律与能斯特-普朗克方程的差异,指出了欧姆定律的不足。此外,介绍了流体动力学模型连续性方程、动量方程、组分浓度方程中参数的确定方法,给出了恒定初始全局电流密度条件下SOFC多场耦合瞬态模拟求解程序。本文分析并修正了流体动力学模块中连续性方程源项。大量文献调研发现,SOFC多场耦合数学模型使用统一流场法模拟燃料电池流场时,存在着守恒形式和非守恒形式两种连续性方程。电化学反应将在电极和电解质界面上引入源项,源项对连续性方程的影响问题一直未被解决。本文发现守恒形式由于忽略了不同界面扩散效应差异,错误引入源项,求解易发散。非守恒形式虽然求解过程易收敛,但完全忽略电化学反应的影响,无法捕获流场体积变化。本文基于理想气体假设,提出了体积形式的连续性方程,克服了以上问题,获得了与实际情况相吻合的仿真解。此外,本文建立了电解质存在内短路时质子基固体氧化物燃料电池(H-SOFC)多场耦合数学模型。使用四个电极半反应作为内部电路循环和外部电路循环的关键节点,构建了H-SOFC系统电荷输运路径图。当电子空穴穿过电解质并与阳极侧电子结合时,电解质即发生电流泄漏。使用能斯特-普朗克方程描述质子和电子空穴在电解质中的输运过程,并基于气体化学势得出了泄漏电流的解析解。然后借助于损耗型输出电压模型,综合考虑混合气体在多孔电极中的传输过程,三相区域TPB中的电化学极化过程,搭建出电解质内短路状态下的H-SOFC完整数学模型。制备并测试了BZY-NiO/BZY/LSCF阳极支撑的纽扣型电池,实验数据和模型预测结果之间观察到良好的一致性,验证了H-SOFC数学模型的准确性。现有的SOFC多场耦合数学模型都使用了界面缺陷准平衡假设,本文讨论了阶跃电位对界面缺陷平衡的显著影响。制备并测试了电解质支撑的SFM-GDC/LSGM/SFM-GDC纽扣对称电池,使用带有参比电极的三电极法分离电池阳极和阴极的电化学特性,对比EIS电阻数据与各电极之间电压差,实验验证纯氧离子导体SOFC内部电势分布框架。基于电池实际电势分布,指出界面阶跃电位的存在将严重破坏缺陷平衡,电极半反应部分吉布斯自由能被转换成电能并以阶跃电位的形式存储,电极半反应的平衡常数需使用阶跃电位修正。存在电解质内短路SOFC的实际电势分布仍然是SOFC多场耦合模型中尚未解决的难题,目前只能借助等效电路的方法间接表示。本文以混合离子导体SOFC为研究对象,引入独立自变量输出电流密度,改良了现有的等效电路法,提出了更具普适性的真实电极极化电阻、欧姆电阻、电子空穴电阻表达式。制备和测试NiO-GDC/GDC/LSCF电解质支撑的纽扣型单电池,测量不同工作状态下的电学性能和电化学阻抗谱,讨论了不同燃料气供应和不同操作温度下电池欧姆电阻、极化电阻以及电子空穴电阻随电池输出电流密度的变化规律。结合实验数据与等效电路发现,从高电流密度的放电状态到高电流密度的电解状态,电极极化电阻、欧姆电阻、电子空穴电阻都保持单调递减的趋势,不同点是电极极化电阻呈现数量级的变化,其余电阻则相对稳定。本文对SOFC等效电路法进行了改进,对后续研究和解决电解质内短路问题具有一定借鉴意义。
【图文】：

固体氧化物燃料电池多场耦合建模及内短路机理研究究计划，保障了其在电池堆单元和综合发电系统研究领域的巨大优势。在政策扶持下，发达国家已成长起一批国际上具有影响力和竞争力的 SOFC 商业公司。 1-1 给出了当前世界上代表性的 SOFC 公司分布，这些公司在单电池制备、电组装、系统集成等不同领域各有千秋。下面将对比较著名且独具特色技术的公进行介绍，这些公司既是我们学习的榜样，也是我国应当超越的目标。

图 2-2 多孔介质控制体固液两相分布示意图[174理量真实平均值为：dVVfVf 1平均值为： dVVfsV1制方程，，可以表示为非稳态项、对流项、扩uDstf 2 转化方程应用到控制方程的每一项。方程 tdVVtdVVtfsfV V 11
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM911.4

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘忻;;固体氧化物燃料电池阳极材料研究进展[J];陶瓷学报;2011年03期

2 侯明;衣宝廉;;燃料电池技术发展现状[J];电源技术;2008年10期

3 江泽民;;对中国能源问题的思考[J];上海交通大学学报;2008年03期

4 任志华;张家芸;刘建华;;LSGM固体电解质研究进展[J];材料导报;2006年02期

5 贾林,邵震宇;燃料电池的应用与发展[J];煤气与热力;2005年04期

6 张胜涛,温彦;燃料电池发展及其应用[J];世界科技研究与发展;2003年03期

7 魏丽,陈诵英,王琴;中温固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J];稀有金属;2003年02期

8 刘旭俐,马峻峰,刘文化,徐刚,李海舰,杨琳琳;固体氧化物燃料电池材料的研究进展[J];硅酸盐通报;2001年01期

9 葛善海,衣宝廉,徐洪峰;质子交换膜燃料电池水传递模型[J];化工学报;1999年01期

10 潘小龙,唐超群,夏正才;钇掺杂ZrO_2中电导与氧空位跃迁的关系[J];华中理工大学学报;1997年06期

本文编号：2610822