平板式固体氧化物燃料电池连接体的设计与优化

发布时间：2017-08-14 15:19

  本文关键词：平板式固体氧化物燃料电池连接体的设计与优化

  更多相关文章： 固体氧化物燃料电池 数值模拟 支撑结构 连接体 优化设计

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种新型的能量转换装置,具有高效清洁、燃料灵活、结构简单等诸多优势,被认为是21世纪最有应用前景的新能源技术之一。连接体作为SOFC的重要组成部件,除了可以连接相邻单电池的阳极和阴极,起到集流作用外,还可为反应物和生成物提供通道,避免燃料气与氧化气的直接接触。其结构设计的合理性直接关系到电池的输出性能和长期稳定性。由于SOFC工作在高温、封闭的环境中,单靠实验研究成本太高、实施困难。相对而言,基于有限元法的数值仿真则比较经济、容易实施。因此,本文基于有限元法建立了平板式SOFC二维及三维模型,并以提高SOFC性能为目标对电池的连接体进行合理的优化与设计。具体研究内容如下:1.为了探究电池设计对电堆性能的影响,本文分别从气体浓度分布、电极电势分布以及温度分布等方面,对阳极支撑SOFC和阴极支撑SOFC进行了对比分析。经计算发现,阴极支撑SOFC电堆7033 A m-2的平均电流密度相对于阳极支撑SOFC电堆5580 A m-2的平均电流密度高出了近二十个百分点。而且在最优rib情况下,对于任意的接触电阻和pitch宽度,阴极支撑SOFC电堆的性能都优于阳极支撑SOFC电堆的性能。2.针对目前传统连接体与柱形连接体研究工作中存在的不足,本文提出了相应的改进措施。通过对电极中气体浓度分布、接触电阻以及pitch宽度的分析,明确了rib尺寸设计对电池性能影响的重要性。结果表明,对于给定的pitch宽度和接触电阻,存在一个最优rib使其输出电流密度最大。如果rib尺寸选择不合理,由小接触电阻产生的性能优势将显著降低,甚至完全消失。通过优化发现,对于给定的pitch宽度,最优rib与接触电阻间近似成线性关系。最后给出了rib优化公式及相关线性参数。3.为进一步提高SOFC的输出性能,本文设计了一种新型连接体——交叉形连接体。为验证该新型连接体在性能方面的优越性,分别从电极电导率、孔隙率、输出电压等方面与传统连接体、柱形连接体进行对比分析,并基于Taguchi试验设计对该新型连接体进行结构优化。结果表明,该连接体的各方面性能都优于传统连接体和柱形连接体,尤其是在阴极电导率较小时、孔隙率较大时以及输出电压较低时,这种性能优势更为突出。
【关键词】：固体氧化物燃料电池 数值模拟 支撑结构 连接体 优化设计
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）13-20
• 1.2.1 SOFC反应原理13-14
• 1.2.2 SOFC常见构型14-16
• 1.2.3 SOFC支撑结构16-18
• 1.2.4 连接体18-20
• 1.3 国内外研究现状20-24
• 1.3.1 SOFC发展概述20-21
• 1.3.2 连接体结构设计综述21-24
• 1.4 课题来源及主要研究内容24-26
• 第2章 SOFC不同电极支撑结构对比26-40
• 2.1 模型27-32
• 2.1.1 控制方程27-30
• 2.1.2 边界条件30-32
• 2.2 数值实现32-33
• 2.3 结果与分析33-39
• 2.3.1 气体浓度分布34-35
• 2.3.2 电势分布35-36
• 2.3.3 温度分布36
• 2.3.4 rib宽度的影响36-37
• 2.3.5 接触电阻和pitch宽度的影响37-39
• 2.4 本章总结39-40
• 第3章 SOFC传统连接体优化设计40-54
• 3.1 模型41-46
• 3.1.1 几何模型41-42
• 3.1.2 传质模型42-44
• 3.1.3 导电模型44-45
• 3.1.4 边界条件45-46
• 3.2 数值验证46-48
• 3.3 结果与分析48-52
• 3.3.1 rib宽度对电池性能影响48-50
• 3.3.2 rib尺寸优化50-52
• 3.4 本章总结52-54
• 第4章 SOFC柱形连接体优化设计54-66
• 4.1 模型55-58
• 4.1.1 几何模型55-56
• 4.1.2 气体输运方程56
• 4.1.3 导电方程56-57
• 4.1.4 Butler-Volmer方程57-58
• 4.1.5 边界设置58
• 4.2 结果与分析58-64
• 4.3 本章总结64-66
• 第5章 SOFC新型连接体设计与优化66-88
• 5.1 模型66-69
• 5.1.1 几何模型66-69
• 5.1.2 控制方程及边界条件69
• 5.2 不同连接体设计性能对比69-76
• 5.2.1 阳极浓度过电势分布69-71
• 5.2.2 阴极电势分布71-72
• 5.2.3 电导率的影响72-73
• 5.2.4 孔隙率的影响73-75
• 5.2.5 pitch宽度和Vop的影响75-76
• 5.3 交叉形连接体结构优化76-85
• 5.3.1 阴极连接体多参数优化77-82
• 5.3.2 阳极连接体多参数优化82-85
• 5.4 本章总结85-88
• 第6章 结论与展望88-90
• 6.1 论文总结88-89
• 6.2 研究展望89-90
• 参考文献90-96
• 攻读硕士期间发表的论文与专利96-98
• 致谢98-99
• 详细摘要99-101

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