固体氧化物燃料电池微结构特性模拟研究

发布时间：2020-08-26 14:05

【摘要】：固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFC)在较高的操作温度下可以将碳氢燃料中的化学能直接转化为电能,而不经过其他复杂的能量转换装置和净化装置,发电效率高,单位发电量产生的CO_2和NO_x等有害气体的量也明显少于传统火力发电技术。因此,SOFC现今已经成为人们研究关注的焦点。目前,板式阳极支撑型SOFC因其较高的体功率密度成为主流的研究方向。通过研究发现,多孔阳极的微结构参数对阳极支撑型板式燃料电池有着非常重要的影响,甚至每个参数都会对电池的性能形成一定的影响。由于SOFC在工作时处于高温、密闭的环境,这使得在工作状态下,电池内部的性能及参数测量带来极大的困难,且实验成本很高,甚至在有些条件下是不能完成的。因此采用数值模拟计算方法代替实验手段,能够揭示电池内部的工作情况,为以后的应用提供了理论支持。论文从SOFC的微结构参数研究入手,进行稳态上建模分析,量化微结构参数对电池性能的影响。论文主要研究内容如下:(1)使用COMSOL软件建立起单电池工作时的数学模型,模拟稳态下SOFC的工作状态,对不同操作条件下的电化学性能进行了研究,并将模拟结果与实验结果进行了不同操作条件下的分析对比。结果表明,工作温度越高,SOFC的输出功率越高,电化学性能越好;修正后的模拟值与实验结果吻合较好,最大误差不超过10%。(2)根据软件中所建立的单电池数学模型,系统分析了孔隙率、曲折度、孔径、粒径对电池工作性能的影响,并结合每一个微结构参数对电极内气体的浓度分布、燃料利用率和电流密度分布的影响。结果表明,随孔隙率的增大,最大输出功率密度先增大后减小,在孔隙率为0.4时取得最大值;孔径越大,曲折度越小,气体在电极内的扩散效果越好,浓度梯度分布越小,在孔径大于0.5μm,曲折度小于2时,孔径和曲折度对扩散效果的提升明显降低;粒径越小,电极内电流密度越高,输出功率越高,在粒径为0.2μm时,最大功率密度为0.440 W/cm~2。(3)基于微结构参数的单因素研究结果,对孔隙率、曲折度和孔径三个微结构参数进行数据上的拟合,拟合结果为r(28)(2.54?-0.0647)?D,孔隙率分布范围为0.2-0.6,对每一个粒径下的其他微结构参数的改变时的电化学性能进行研究。结果表明,阳极支撑层和功能粒径与孔隙率相同时,输出功率最大时的微结构参数组合为:粒径0.2μm、孔隙率0.5、曲折度1.29、孔径0.19μm,最大功率密度提高1.58倍;阳极支撑层和功能层粒径与孔隙率不同时,输出功率最大时的微结构参数组合为:支撑层粒径0.5μm、孔隙率0.5、曲折度1.29、孔径0.6μm,功能层粒径0.2μm、孔隙率0.25、曲折度、孔径0.11μm,最大功率密度提升1.78倍。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【参考文献】