高温固体氧化物燃料电池流场设计与模拟

发布时间：2022-08-11 18:03

　　高温固体氧化物燃料电池（SOFC）凭借转换效率高、燃料适用性广、余热利用价值高、能组成联合循环发电系统系统的优势,日益成为电能转化装置中的一大研究热点。然而,SOFC仍有诸多问题有待改善,如电池功率密度仍有上升空间、电池结构的强度较低、经济性有待提升等,这需要对SOFC进行结构优化,提高电池内各流场参数分布的均匀性。而模拟仿真作为一种重要手段,在SOFC的流场构型优化设计与功率预测上发挥着重要作用,已成为许多学者研究SOFC的重要工具。本文主要对SOFC进行了数值建模,运用计算流体力学（CFD）方法对SOFC的多物理场与电化学反应进行仿真计算。本文的研究主要从两步入手,第一,从最基本的SOFC单元入手,讨论影响SOFC单元的性能的主要因素,并得出SOFC单元的优化方案。第二,将研究对象拓展到SOFC单电池,从单电池外部流场与内部流场的角度分别进行讨论。在外部流场方面,主要讨论外部歧管的尺寸设计,及其在不同流速下的流场均匀性,从而得到外歧管的最佳方案,满足了高流场均匀度的要求,并实现了优化后电池输出功率密度的提升;在内部流场方面,本文对传统的平行气道SOFC流场设计进行了改进,在内部流场... 

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 概述
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本章小结
        1.3.1 研究趋势
            1.3.1.1 更加符合流动特性的气道设计
            1.3.1.2 输运损失更小的歧管设计
            1.3.1.3 数值算法的优化
        1.3.2 本课题的主要研究内容
第2章 SOFC单元的流场模拟与优化
    2.1 SOFC单元的流场模拟
        2.1.1 控制方程
            2.1.1.1 质量方程
            2.1.1.2 动量方程
            2.1.1.3 能量方程
        2.1.2 模型假设与边界条件
            2.1.2.1 模型假设
            2.1.2.2 边界条件
        2.1.3 数值实现与结果分析
            2.1.3.1 压强分布
            2.1.3.2 速度分布
    2.2 SOFC单元电化学模拟与灵敏度分析
        2.2.1 控制方程
            2.2.1.1 质量方程
            2.2.1.2 组分输运方程
            2.2.1.3 电荷输运方程
            2.2.1.4 能量方程
        2.2.2 边界条件与模型假设
        2.2.3 CFD数值模型验证
        2.2.4 气道形状对SOFC重复单元性能的影响
        2.2.5 燃料进气量对SOFC重复单元的性能影响
        2.2.6 电极厚度对SOFC重复单元的影响
            2.3.6.1 氧气浓度分布
            2.2.6.2 氢气浓度分布
            2.2.6.3 性能对比
    2.3 本章小结
第3章 SOFC单电池的外部流场优化
    3.1 引言
    3.2 建模过程
    3.3 计算模拟
        3.3.1 各设计的流场分布
        3.3.2 流动均匀指数与进气流量的关系
        3.3.3 入口歧管几何尺寸对流场均匀性的影响
    3.4 不同前后流场设计对SOFC电池性能的影响
    3.5 本章小结
第4章 使用压强平衡槽的SOFC单电池设计
    4.1 引言
    4.2 模型建立
    4.3 边界条件与基本假设
    4.4 结果分析
        4.4.1 流场分布
        4.4.2 组分与温度分布
        4.4.3 性能对比
    4.5 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 工作总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池分布参数模拟研究[J]. 乔威,于泽庭,韩吉田.  工程热物理学报. 2016(01)
[2]外气道SOFC电堆流场的优化设计和数值模拟[J]. 方大为,王凯,颜冬,罗军,蒲健.  电源技术. 2013(09)
[3]对中国能源问题的思考[J]. 江泽民.  上海交通大学学报. 2008(03)

博士论文
[1]中空纤维固体氧化物燃料电池的研究[D]. 彭舒军.华南理工大学 2013

硕士论文
[1]硅基复合电解质中温SOFC构造与性能研究[D]. 陈梓萱.大连海事大学 2016
[2]平板式固体氧化物燃料电池连接体的设计与优化[D]. 高祥.江苏科技大学 2016



本文编号：3675131