固体氧化物燃料电池堆内空气分配特性的一般性规律研究

发布时间：2020-10-16 04:19

　　 固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)以其发电效率高、低污染、燃料选择性多等优点受到越来越多人的关注,目前已经成为了燃料电池研究领域的重点。为了提高燃料电池的工作效率,研究者们已经进行了大量的研究工作,提出了很多提高SOFC电堆工作效率的方法。但是几乎所有的研究者在研究SOFC时要么是针对单层进行研究,或者是针对一个特定的电堆进行研究,虽然提出了很多新型结构来提升电池工作效率,但是面对如此众多的电池结构,企业在制造的时候无法根据自己的需求来选择一个适合自己的电池结构。针对这一现象本文以德国Jülich公司开发的多款SOFC电堆设计方案为对象基础,通过建立三维大尺度多物理场耦合模型的详细研究SOFC电堆内部结构特点与空气分布特征的一般性关联规律,形成优化结论。三维大尺度建模分析,主要的研究工作如下:1、通过对德国Jülich公司的设计的两种平板型电堆方案进行3维大尺度流动特性分析表明,发现即使是形貌相近的电堆结构设计方案,也可能得到完全相反的电池层间流量分布趋势,说明存在关键结构参数对流量产生了影响,通过理论、数值、乃至试验手段获取关键影响因素,并获取关键结构参数与电堆内部流动分布规律的一般性作用规律变得尤为重要。2、针对疑问本文首先在模型计算过程中尽可能的让模型工作过程和实际工作过程一致,模型中加载了连续性、能量、动量、组分以及准电化学方程来研究电堆工作特性。从电堆空气流动路径为U型和Z型的两个电堆入手,在A_(ou) _t(29)A_(in)和A_(in)3A_(ou) _t情况下(A_(out)和A_(in)分别为电堆入口/出口主管道截面积),从流体压力分布特性、流动阻力以及流体动量等方面分析了它们之间相互影响的关系以及对电堆空气流量分布的影响。并且通过改变同一模型的进出口截面比、进出口管径、电堆层数以及电池的肋流道结构和进排气节点来分析电堆空气流动特性,在分析中发现电堆主管的位置对空气流动特性也有着显著的影响,根据这些分析从中提出了电堆空气流动的一般性规律,该规律不依赖一个特定的电堆结构,具有普遍适用性。本文还利用流体力学等相关知识详细解释了电堆内空气流动的物理规律。3、目前针对主管贯穿电池反应区的电堆很少有文献进行报道,虽然已经出现了该新型结构的真实模型,但是一直缺少理论研究,并且无法得知该电堆的内部工作特性。本文针对这一特殊电堆结构创建了一个18层的多物理场全模型。通过耦合“三传一反”,很好的完成了数值模型的仿真计算。并且分析了这种类型的燃料电池堆设计中的流动和温度分布特征及其与结构特征的相互作用,发现其流动特性完全吻合了本文提出的电堆内空气流动的一般性规律。得出的大部分结论对于具有这些特征的燃料电池堆的实际实验设计具有很好的帮助和参考价值。4、管式固体氧化物燃料电池(T-SOFC)在结构密封性及其结构稳定性等方面有着其他类型的SOFC所不具有的优势。但是阴极支撑型SOFC电堆存在诸多不利因素而阳极支撑型的文献又极其罕见。本文就这一问题设计了阳极支撑型T-SOFC电堆并分析了电堆内的一般性气流分布特性。它们对于提高阳极支撑型T-SOFC电堆实现高电堆性能和延长工作时间非常有用。通过仔细分析1in1out和2in2out-U型电堆还设计出了新型电堆结构。计算结果还表明,与以上两种传统设计相比,新设计可以大大提高管式电池之间和每个管式电池表面的空气供给质量,并且该结构内的温度梯度最低。本课题的研究工作对于推进SOFC电堆结构优化、提高电堆工作效率等方面提供了详细的理论支持,对实际应用和实践指导具有重要的意义,为进一步研究电堆工作特性奠定了重要的基础。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM911.4
【部分图文】：

图 1.1 SOFC 工作原理图[36]Fig.1.1 The working process of SOFC[36]式：研究燃料电池的机构中，几乎所有的机构都把精力集中在这个比例达到 70%之多。美国在 2000 年的时候还出台了一项，计划制定了在 2000 年到 2010 年期间使得 SOFC 的成本下降，这台项目由美国能源部制定，当时还成立了 SECA（Alliance）。项目计划将 SOFC 的发电效率提高到 60-70%，计划少生产 50000 套。参与能源部的公司主要有 Honeywell、 等涉及到电力、汽车以及发电相关的公司企业。德国 Siemens年代就开始研发平板式 SOFC 技术，西门子经过 5年的努力，的平板式 SOFC，如果使用空气作为氧化剂的话则只有 5 KOFC)电池单体主要由气体流道、电极、集流板和联接器组成。

图 1.2 宁波材料研究所生产的平板式 SOFC（实物拍摄）Fig. 1.2 P- SOFC produced by Ningbo Materials Research Institute SOFC体氧化物燃料电池（T-SOFC）由于其结构稳定和无严格的密封要前途的设备之一[28,36]。然而，由于 T-SOFC 是阴极支撑，外部空气是个难题，所以在阳极支撑 T-SOFC 电堆设计方面的报道很罕见。展自 1930 年以来, 出现了多种电池堆的设计方式。而从 1960 年以

图 1.3 管式 SOFC：a）PEN 示意图[8]；b）电堆示意图；c）PEN 实物图；d）电堆实物图ig. 1.3 The tubular SOFC: a) the illustration of PEN[8]; b) the illustration of stack; c) the photo of acPEN; d) the photo of actual stack③瓦楞式 SOFC如图 1.4 所示，PEN 板可以不规则地被制造成梯形或凹坑形状，这种形状被称楞式（MOLB）SOFC。这样的设计有利于增强其机械和校准强度并增加其功率。波纹状 PEN 板不仅确保了有效活性区高于投影面积，而且还为薄膜提供燃料流通道的组合功能，使电池紧凑[38]。为了优化 MOLB 型 SOFC 的设计和操作，质运输和电化学特性的全面了解是非常必要的。然而，目前的研究文献主要针对或管状 SOFC 来研究，迄今尚未考虑 MOLB 型 SOFC 的几何结构。基于 CFD 的来解决 MOLB 型 SOFC 中流体动力学与电化学动力学之间复杂的相互作用的文乎没有。
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 李勇;邵刚勤;段兴龙;王天国;;固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J];硅酸盐通报;2006年01期

2 黄贤良,赵海雷,吴卫江,仇卫华;固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展[J];硅酸盐学报;2005年11期

本文编号：2842750