固體氧化物燃料電池(Solid oxide fuel cell,SOFC)以其發(fā)電效率高、低污染、燃料選擇性多等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多人的關(guān)注,目前已經(jīng)成為了燃料電池研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。為了提高燃料電池的工作效率,研究者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,提出了很多提高SOFC電堆工作效率的方法。但是幾乎所有的研究者在研究SOFC時(shí)要么是針對(duì)單層進(jìn)行研究,或者是針對(duì)一個(gè)特定的電堆進(jìn)行研究,雖然提出了很多新型結(jié)構(gòu)來(lái)提升電池工作效率,但是面對(duì)如此眾多的電池結(jié)構(gòu),企業(yè)在制造的時(shí)候無(wú)法根據(jù)自己的需求來(lái)選擇一個(gè)適合自己的電池結(jié)構(gòu)。針對(duì)這一現(xiàn)象本文以德國(guó)Jülich公司開發(fā)的多款SOFC電堆設(shè)計(jì)方案為對(duì)象基礎(chǔ),通過(guò)建立三維大尺度多物理場(chǎng)耦合模型的詳細(xì)研究SOFC電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與空氣分布特征的一般性關(guān)聯(lián)規(guī)律,形成優(yōu)化結(jié)論。三維大尺度建模分析,主要的研究工作如下:1、通過(guò)對(duì)德國(guó)Jülich公司的設(shè)計(jì)的兩種平板型電堆方案進(jìn)行3維大尺度流動(dòng)特性分析表明,發(fā)現(xiàn)即使是形貌相近的電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,也可能得到完全相反的電池層間流量分布趨勢(shì),說(shuō)明存在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流量產(chǎn)生了影響,通過(guò)理論、數(shù)值、乃至試驗(yàn)手段獲取關(guān)鍵影響因素,并獲取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與電堆內(nèi)部流動(dòng)分布規(guī)律的一般性作用規(guī)律變得尤為重要。2、針對(duì)疑問本文首先在模型計(jì)算過(guò)程中盡可能的讓模型工作過(guò)程和實(shí)際工作過(guò)程一致,模型中加載了連續(xù)性、能量、動(dòng)量、組分以及準(zhǔn)電化學(xué)方程來(lái)研究電堆工作特性。從電堆空氣流動(dòng)路徑為U型和Z型的兩個(gè)電堆入手,在A_(ou) _t(29)A_(in)和A_(in)3A_(ou) _t情況下(A_(out)和A_(in)分別為電堆入口/出口主管道截面積),從流體壓力分布特性、流動(dòng)阻力以及流體動(dòng)量等方面分析了它們之間相互影響的關(guān)系以及對(duì)電堆空氣流量分布的影響。并且通過(guò)改變同一模型的進(jìn)出口截面比、進(jìn)出口管徑、電堆層數(shù)以及電池的肋流道結(jié)構(gòu)和進(jìn)排氣節(jié)點(diǎn)來(lái)分析電堆空氣流動(dòng)特性,在分析中發(fā)現(xiàn)電堆主管的位置對(duì)空氣流動(dòng)特性也有著顯著的影響,根據(jù)這些分析從中提出了電堆空氣流動(dòng)的一般性規(guī)律,該規(guī)律不依賴一個(gè)特定的電堆結(jié)構(gòu),具有普遍適用性。本文還利用流體力學(xué)等相關(guān)知識(shí)詳細(xì)解釋了電堆內(nèi)空氣流動(dòng)的物理規(guī)律。3、目前針對(duì)主管貫穿電池反應(yīng)區(qū)的電堆很少有文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)道,雖然已經(jīng)出現(xiàn)了該新型結(jié)構(gòu)的真實(shí)模型,但是一直缺少理論研究,并且無(wú)法得知該電堆的內(nèi)部工作特性。本文針對(duì)這一特殊電堆結(jié)構(gòu)創(chuàng)建了一個(gè)18層的多物理場(chǎng)全模型。通過(guò)耦合“三傳一反”,很好的完成了數(shù)值模型的仿真計(jì)算。并且分析了這種類型的燃料電池堆設(shè)計(jì)中的流動(dòng)和溫度分布特征及其與結(jié)構(gòu)特征的相互作用,發(fā)現(xiàn)其流動(dòng)特性完全吻合了本文提出的電堆內(nèi)空氣流動(dòng)的一般性規(guī)律。得出的大部分結(jié)論對(duì)于具有這些特征的燃料電池堆的實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有很好的幫助和參考價(jià)值。4、管式固體氧化物燃料電池(T-SOFC)在結(jié)構(gòu)密封性及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面有著其他類型的SOFC所不具有的優(yōu)勢(shì)。但是陰極支撐型SOFC電堆存在諸多不利因素而陽(yáng)極支撐型的文獻(xiàn)又極其罕見。本文就這一問題設(shè)計(jì)了陽(yáng)極支撐型T-SOFC電堆并分析了電堆內(nèi)的一般性氣流分布特性。它們對(duì)于提高陽(yáng)極支撐型T-SOFC電堆實(shí)現(xiàn)高電堆性能和延長(zhǎng)工作時(shí)間非常有用。通過(guò)仔細(xì)分析1in1out和2in2out-U型電堆還設(shè)計(jì)出了新型電堆結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果還表明,與以上兩種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,新設(shè)計(jì)可以大大提高管式電池之間和每個(gè)管式電池表面的空氣供給質(zhì)量,并且該結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度梯度最低。本課題的研究工作對(duì)于推進(jìn)SOFC電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高電堆工作效率等方面提供了詳細(xì)的理論支持,對(duì)實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐指導(dǎo)具有重要的意義,為進(jìn)一步研究電堆工作特性奠定了重要的基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM911.4
【部分圖文】：

圖 1.1 SOFC 工作原理圖[36]Fig.1.1 The working process of SOFC[36]式：研究燃料電池的機(jī)構(gòu)中，幾乎所有的機(jī)構(gòu)都把精力集中在這個(gè)比例達(dá)到 70%之多。美國(guó)在 2000 年的時(shí)候還出臺(tái)了一項(xiàng)，計(jì)劃制定了在 2000 年到 2010 年期間使得 SOFC 的成本下降，這臺(tái)項(xiàng)目由美國(guó)能源部制定，當(dāng)時(shí)還成立了 SECA（Alliance）。項(xiàng)目計(jì)劃將 SOFC 的發(fā)電效率提高到 60-70%，計(jì)劃少生產(chǎn) 50000 套。參與能源部的公司主要有 Honeywell、 等涉及到電力、汽車以及發(fā)電相關(guān)的公司企業(yè)。德國(guó) Siemens年代就開始研發(fā)平板式 SOFC 技術(shù)，西門子經(jīng)過(guò) 5年的努力，的平板式 SOFC，如果使用空氣作為氧化劑的話則只有 5 KOFC)電池單體主要由氣體流道、電極、集流板和聯(lián)接器組成。

圖 1.2 寧波材料研究所生產(chǎn)的平板式 SOFC（實(shí)物拍攝）Fig. 1.2 P- SOFC produced by Ningbo Materials Research Institute SOFC體氧化物燃料電池（T-SOFC）由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和無(wú)嚴(yán)格的密封要前途的設(shè)備之一[28,36]。然而，由于 T-SOFC 是陰極支撐，外部空氣是個(gè)難題，所以在陽(yáng)極支撐 T-SOFC 電堆設(shè)計(jì)方面的報(bào)道很罕見。展自 1930 年以來(lái), 出現(xiàn)了多種電池堆的設(shè)計(jì)方式。而從 1960 年以

圖 1.3 管式 SOFC：a）PEN 示意圖[8]；b）電堆示意圖；c）PEN 實(shí)物圖；d）電堆實(shí)物圖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如圖 1.4 所示，PEN 板可以不規(guī)則地被制造成梯形或凹坑形狀，這種形狀被稱楞式（MOLB）SOFC。這樣的設(shè)計(jì)有利于增強(qiáng)其機(jī)械和校準(zhǔn)強(qiáng)度并增加其功率。波紋狀 PEN 板不僅確保了有效活性區(qū)高于投影面積，而且還為薄膜提供燃料流通道的組合功能，使電池緊湊[38]。為了優(yōu)化 MOLB 型 SOFC 的設(shè)計(jì)和操作，質(zhì)運(yùn)輸和電化學(xué)特性的全面了解是非常必要的。然而，目前的研究文獻(xiàn)主要針對(duì)或管狀 SOFC 來(lái)研究，迄今尚未考慮 MOLB 型 SOFC 的幾何結(jié)構(gòu)。基于 CFD 的來(lái)解決 MOLB 型 SOFC 中流體動(dòng)力學(xué)與電化學(xué)動(dòng)力學(xué)之間復(fù)雜的相互作用的文乎沒有。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李勇;邵剛勤;段興龍;王天國(guó);;固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J];硅酸鹽通報(bào);2006年01期

2 黃賢良,趙海雷,吳衛(wèi)江,仇衛(wèi)華;固體氧化物燃料電池陽(yáng)極材料的研究進(jìn)展[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2005年11期

本文編號(hào)：2842750