固体氧化物燃料电池气流分配特性及多物理场耦合模拟
发布时间：2021-07-30 03:06
在当今的清洁能源工程技术发展中,燃料电池因为其产品具有清洁、污染小、能量转化率高等优点而被国内以及世界广泛的关注。同样,在众多的清洁能源燃料电池的类型中,固体氧化物燃料电池（SOFC）因为具有稳定的电压与功率密度高,使用便携而受到世界各国的青睐,因此对固体氧化物燃料电池的研究显得格外重要。由于燃料电池在工作过程中反应机理比较复杂,内部涉及物质传递、动量转换、能量交换等多个过程的耦合,使用实验研究相关机理过程复杂、成本高、耗时长,因此本文将使用数值仿真的方法研究固体氧化物燃料电池的相关特性。本文主要研究以下两个部分:首先第一部分基于FLUENT研究平板SOFC电池堆在原始结构、带有半圆形分管道的结构、带有附加分管道的结构下空气侧与燃料侧气道中气体的速度场、压力场与温度场分布,并得到三种结构对应下各个子气道的最大流量分布,然后进一步改变燃料侧电池堆进出口主管道数目比,得到对应的三个场分布和子气道流量分布。通过对比不同气道布置下的计算结果,发现带有附加分管道并且进出口数目比为1:2的电池堆结构速度分布更加均匀,压力较小,局部高温区域少,并且子气道的流量分配更加均匀。第二部分基于COMSOL研...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池与传统发电机的能量转化效率对比
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文8图2.1燃料电池离子、电子传输示意图以氢氧燃料电池为例：阳极：222O2HOHe（2.1）阴极：22122OeO（2.2）总反应式：22212OHOH（2.3）在电池中发生化学反应产生的化学能会转化成电能，于是每消耗1mol氢气，就能在回路中产生的传输电荷量为2Ne2F。其中，N代表阿伏伽德罗常数，e代表单个电子的电量，F为法拉第常数，用E代表SOFC中的可逆电压，那么移动这些电子做的功为2NernstFE。在热力学定律中，电化学反应中电子移动过程中所做的功等于反应前后吉布斯自由能的差值：2221,,,,2OTpTpTpTpHOH（2.4）式中，T,p为反应物α在温度T与压力p下的摩尔吉布斯自由能。从而可得可逆电压为：,2TpEF（2.5）
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文18堆，节约了成本；最后，相比大型电堆来说，5~10层的小型电堆输出功率更加稳定，便于和配套的电池堆辅助系统进行模块化管理。3.2模型建立3.2.1几何模型建立本章主要采用UG三维建模软件建立5层SOFC电池堆模型，并生成.x_t文件，模型包括燃料侧的电池堆与空气测的电池堆，分别如图3.1与图3.2所示，电池堆的每一层有10根子气道。在燃料侧的电池堆中，燃料气体经主管道进入10根分管道中，并由出口主管道排出到外部环境中。在空气侧的电池堆中，每一层有10根出气口，空气经10根分管道后从出气口排出到环境中。之后将模型文件导入到ANSYSworkbench的fluent模块中的mesh模块进行网格划分。网格的尺寸控制函数采用自适应尺寸函数，并设置参考中心为+100，网格的最小单元尺寸设置为0.1mm，最后将生成的网格文件导入fluent计算模块进行计算，计算完成后采用CFD-post模块进行后处理。图3.1燃料侧半圆形及加设分管道电池堆结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内固体氧化物燃料电池研究现状与展望[J]. 常贵可,张金磊,郑春花,张翼滉,何成. 广州化工. 2019(17)
[2]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[3]国外SOFC研究机构及研发状况[J]. 彭珍珍,杜洪兵,陈广乐,郭瑞松. 硅酸盐学报. 2010(03)
[4]质子交换膜燃料电池水、热、气管理[J]. 崔东周,肖金生,潘牧,袁润章. 电池. 2004(05)
[5]固体氧化物燃料电池研究进展[J]. 迟克彬,李方伟,李影辉,万书宝,肖海成,孔繁华,张凤华. 天然气化工. 2002(04)
[6]固体氧化物燃料电池材料的开发[J]. 阎景旺,程谟杰,衣宝廉. 电池. 2002(03)
[7]固体氧化物燃料电池最新发展动态——第五届固体氧化物燃料电池国际会议内容介绍[J]. 江义. 电化学. 1998(04)
[8]Pt／YSZ固体电解质界面的电化学动力学研究[J]. 江义,李文钊,曹立新,阎景旺. 电化学. 1996(01)
[9]高温燃料电池阴极材料La（Sr）MnO3的电导性能研究[J]. 徐志弘,温廷涟,吕之奕. 无机材料学报. 1994(04)
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池微结构特性模拟研究[D]. 马康健.大连理工大学 2018
[2]固体氧化物燃料电池的传热传质数值模拟[D]. 黄镜欢.南京理工大学 2004
本文编号：3310562
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池与传统发电机的能量转化效率对比
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文8图2.1燃料电池离子、电子传输示意图以氢氧燃料电池为例：阳极：222O2HOHe（2.1）阴极：22122OeO（2.2）总反应式：22212OHOH（2.3）在电池中发生化学反应产生的化学能会转化成电能，于是每消耗1mol氢气，就能在回路中产生的传输电荷量为2Ne2F。其中，N代表阿伏伽德罗常数，e代表单个电子的电量，F为法拉第常数，用E代表SOFC中的可逆电压，那么移动这些电子做的功为2NernstFE。在热力学定律中，电化学反应中电子移动过程中所做的功等于反应前后吉布斯自由能的差值：2221,,,,2OTpTpTpTpHOH（2.4）式中，T,p为反应物α在温度T与压力p下的摩尔吉布斯自由能。从而可得可逆电压为：,2TpEF（2.5）
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文18堆，节约了成本；最后，相比大型电堆来说，5~10层的小型电堆输出功率更加稳定，便于和配套的电池堆辅助系统进行模块化管理。3.2模型建立3.2.1几何模型建立本章主要采用UG三维建模软件建立5层SOFC电池堆模型，并生成.x_t文件，模型包括燃料侧的电池堆与空气测的电池堆，分别如图3.1与图3.2所示，电池堆的每一层有10根子气道。在燃料侧的电池堆中，燃料气体经主管道进入10根分管道中，并由出口主管道排出到外部环境中。在空气侧的电池堆中，每一层有10根出气口，空气经10根分管道后从出气口排出到环境中。之后将模型文件导入到ANSYSworkbench的fluent模块中的mesh模块进行网格划分。网格的尺寸控制函数采用自适应尺寸函数，并设置参考中心为+100，网格的最小单元尺寸设置为0.1mm，最后将生成的网格文件导入fluent计算模块进行计算，计算完成后采用CFD-post模块进行后处理。图3.1燃料侧半圆形及加设分管道电池堆结构
【参考文献】：
期刊论文
[1]国内固体氧化物燃料电池研究现状与展望[J]. 常贵可,张金磊,郑春花,张翼滉,何成. 广州化工. 2019(17)
[2]固体氧化物燃料电池平板式电池堆的研究进展[J]. 宋世栋,韩敏芳,孙再洪. 科学通报. 2014(15)
[3]国外SOFC研究机构及研发状况[J]. 彭珍珍,杜洪兵,陈广乐,郭瑞松. 硅酸盐学报. 2010(03)
[4]质子交换膜燃料电池水、热、气管理[J]. 崔东周,肖金生,潘牧,袁润章. 电池. 2004(05)
[5]固体氧化物燃料电池研究进展[J]. 迟克彬,李方伟,李影辉,万书宝,肖海成,孔繁华,张凤华. 天然气化工. 2002(04)
[6]固体氧化物燃料电池材料的开发[J]. 阎景旺,程谟杰,衣宝廉. 电池. 2002(03)
[7]固体氧化物燃料电池最新发展动态——第五届固体氧化物燃料电池国际会议内容介绍[J]. 江义. 电化学. 1998(04)
[8]Pt／YSZ固体电解质界面的电化学动力学研究[J]. 江义,李文钊,曹立新,阎景旺. 电化学. 1996(01)
[9]高温燃料电池阴极材料La（Sr）MnO3的电导性能研究[J]. 徐志弘,温廷涟,吕之奕. 无机材料学报. 1994(04)
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池微结构特性模拟研究[D]. 马康健.大连理工大学 2018
[2]固体氧化物燃料电池的传热传质数值模拟[D]. 黄镜欢.南京理工大学 2004
本文编号：3310562
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