板式固体氧化物燃料电池电化学性能数值模拟研究
发布时间：2021-11-19 22:32
随着全球气候变化和能源短缺问题日益凸显,发展新型能源技术具有重大现实意义。固体氧化物燃料电池（SOFC）是全固态高温燃料电池,具有发电效率高、燃料来源广等独特优点,作为新型能源转换技术,逐渐引起全球瞩目。本研究在对电化学动力学原理进行分析的基础上结合质量传递、热量传递、组分传递、动量传递以及电荷传递等过程建立板式阳极支撑SOFC单通道三维多物理场数值模型,使用COMSOL 5.4对所建立的多物理场数值模型进行电化学方面的研究分析,以期为SOFC的标准制定及大规模商业化发展提供依据。对以氢气为燃料时的SOFC数学模型进行求解,分析研究电池内部温度、组分浓度、电流密度等物理量的分布规律。结果表明:（1）电池中气体流速、电池温度、物质浓度分布及电流密度等因几何结构及材料特性而在电池中分布不均。（2）同向流动时流道中燃料气体的速度沿流动方向在入口处先急剧增加,后缓慢增加,最后在出口处又出现急剧增加现象。（3）同向流动时,在气体的流动方向上,电池各部件温度逐渐升高,氢气与氧气的摩尔分数逐渐下降,水蒸气含量增高,电流密度逐渐减小,活化过电势逐渐下降。对不同操作参数及微结构参数下以氢气为燃料的SOF...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC近十年SCI文章数量统计
1绪论2图1.1SOFC近十年SCI文章数量统计1.2固体氧化物燃料电池概述1.2.1燃料电池如图1.2所示，传统热机发电过程通常需要经过三部分才能够使化学能转化为电能，即燃料通过燃烧过程释放出热量、将燃料燃烧所产生的热量通过蒸汽轮机等相关机械设备来转化为机械能、最后再通过相应的发电装置来将机械能转化为电能，转化的过程受卡诺循环限制，能源转化效率较低，综合发电效率约为35%～45%。而燃料电池是一种能将燃料中的化学能通过电化学反应而非燃烧的方式直接转换成电能和热能的装置，能够实现化学能到电能的一步式转换，故而其相对于传统热机发电过程拥有更高的能源转化效率，并且由于减少了化石燃料的燃烧过程，粉尘及有害气体排放得以减少，从而对环境更加友好[9]。图1.2传统发电与燃料电池发电方式直观对比燃料电池的发展开始于19世纪英国Grove爵士，其组装了第一个燃料电池
1绪论4腐蚀等缺点，并且能够根据实际需求模块化组装，减少了成本；（2）高温操作的特性，能减少电极中贵金属催化剂的使用，从而提高了经济性；（3）由于氧离子能够氧化大多数燃料，从而结合现行的含镍阳极，能极大地提升SOFC的燃料灵活性，可使得燃料从氢气扩展到甲烷、乙醇等多种物质；（4）电池电极抗硫化物性能较好，相较其他类型燃料电池，燃料中硫含量能容纳较高，可进一步扩大燃料的使用范围；（5）由于发电过程中所排放出的尾气温度较高，因而能够利用所产生的温度进行燃料内部重整；并且也可进行余热复合发电，能使综合效率高达83%，它的推广能够为节能环保的目标实现做出很大的贡献；（6）SOFC的应用范围非常广泛，不论是军用领域还是民用领域都能得到很好的推广，如图1.3所示；图1.3SOFC的各种推广应用领域[20]1.2.2SOFC的基本原理从上面的分析中能够看出，固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，即SOFC）是一种较为特殊的燃料电池，电池整体为全固态结构并且运行温度相对较高，而与其他类别的燃料电池相一致的是SOFC同样拥有阳极、阴极以及电解质，这三种物质是燃料电池的核心部件，电化学电荷传递过程发生在这三个核心部件上。以H2为燃料的板式SOFC运行为例，它的基本工作原理示意图如图1.4所示，总的电化学反应过程可描述为：①反应气体（O2、H2）通过气体流道进入到电池中而后到达多孔电极表面；②含氧物质在到达阴极表面后扩散入多孔电极中而后逐渐吸附、解离；③解离后所形成的氧原子或者氧分子在三相界面（TPB）处与通过外电路所传导来的电子发生还原反应形成氧离子；④氧离子在
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池技术发展及应用现状综述(上)[J]. 王吉华,居钰生,易正根,王凯. 现代车用动力. 2018(02)
[2]燃料电池产业最新动态[J]. 刘铮,谢丽英. 稀土. 2011(04)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池输运特性和性能模拟研究[D]. 郭常福.大连理工大学 2018
本文编号：3506007
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SOFC近十年SCI文章数量统计
1绪论2图1.1SOFC近十年SCI文章数量统计1.2固体氧化物燃料电池概述1.2.1燃料电池如图1.2所示，传统热机发电过程通常需要经过三部分才能够使化学能转化为电能，即燃料通过燃烧过程释放出热量、将燃料燃烧所产生的热量通过蒸汽轮机等相关机械设备来转化为机械能、最后再通过相应的发电装置来将机械能转化为电能，转化的过程受卡诺循环限制，能源转化效率较低，综合发电效率约为35%～45%。而燃料电池是一种能将燃料中的化学能通过电化学反应而非燃烧的方式直接转换成电能和热能的装置，能够实现化学能到电能的一步式转换，故而其相对于传统热机发电过程拥有更高的能源转化效率，并且由于减少了化石燃料的燃烧过程，粉尘及有害气体排放得以减少，从而对环境更加友好[9]。图1.2传统发电与燃料电池发电方式直观对比燃料电池的发展开始于19世纪英国Grove爵士，其组装了第一个燃料电池
1绪论4腐蚀等缺点，并且能够根据实际需求模块化组装，减少了成本；（2）高温操作的特性，能减少电极中贵金属催化剂的使用，从而提高了经济性；（3）由于氧离子能够氧化大多数燃料，从而结合现行的含镍阳极，能极大地提升SOFC的燃料灵活性，可使得燃料从氢气扩展到甲烷、乙醇等多种物质；（4）电池电极抗硫化物性能较好，相较其他类型燃料电池，燃料中硫含量能容纳较高，可进一步扩大燃料的使用范围；（5）由于发电过程中所排放出的尾气温度较高，因而能够利用所产生的温度进行燃料内部重整；并且也可进行余热复合发电，能使综合效率高达83%，它的推广能够为节能环保的目标实现做出很大的贡献；（6）SOFC的应用范围非常广泛，不论是军用领域还是民用领域都能得到很好的推广，如图1.3所示；图1.3SOFC的各种推广应用领域[20]1.2.2SOFC的基本原理从上面的分析中能够看出，固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，即SOFC）是一种较为特殊的燃料电池，电池整体为全固态结构并且运行温度相对较高，而与其他类别的燃料电池相一致的是SOFC同样拥有阳极、阴极以及电解质，这三种物质是燃料电池的核心部件，电化学电荷传递过程发生在这三个核心部件上。以H2为燃料的板式SOFC运行为例，它的基本工作原理示意图如图1.4所示，总的电化学反应过程可描述为：①反应气体（O2、H2）通过气体流道进入到电池中而后到达多孔电极表面；②含氧物质在到达阴极表面后扩散入多孔电极中而后逐渐吸附、解离；③解离后所形成的氧原子或者氧分子在三相界面（TPB）处与通过外电路所传导来的电子发生还原反应形成氧离子；④氧离子在
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池技术发展及应用现状综述(上)[J]. 王吉华,居钰生,易正根,王凯. 现代车用动力. 2018(02)
[2]燃料电池产业最新动态[J]. 刘铮,谢丽英. 稀土. 2011(04)
博士论文
[1]固体氧化物燃料电池堆的多物理场全耦合建模和理论模拟[D]. 李昂.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]固体氧化物燃料电池输运特性和性能模拟研究[D]. 郭常福.大连理工大学 2018
本文编号：3506007
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