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平板式固体氧化物燃料电池气道模拟与优化

毕武喜  
【摘要】: 固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁、高效、先进的能源转化装置,被广泛认为是最具商业化前景的一类燃料电池。与其他类型的燃料电池相比,SOFC具有突出的优势。主要表现在燃料灵活、不需要昂贵的催化剂、热电联供等方面。然而SOFC商业化进程中还面临着很多挑战,例如:降低制造成本、提高功率密度、减小热应力和延长使用寿命等方面都有待进一步改善。 理论研究作为加快SOFC技术商业化的一个重要环节,与实验研究相比有其独特的优势,如理论研究具有费用低、耗时短和容易给出最优化设计等优点。近年来,随着人们对SOFC相关工作原理理解的不断加深,理论分析被广泛的应用于解决电池现存的各种问题。在更高、更全面的层次上分析影响电池性能的各种关键因素,给实验制作提供前瞻性的指导。特别是随着计算机技术和相关工程软件的迅速发展,理论研究已可以胜任对SOFC内的电化学反应、导电、导热、气流分布等多物理场进行更准确,细致的模拟和研究,这大大加强了理论研究的深度和广度。 本论文主要研究了平板式SOFC堆气道和单电池气道优化问题。在研究电池堆内的气道优化时,建立了真实的电池堆气道模型,在此基础上采用CFD软件对影响气流分布的几个主要几何参数进行了系统的优化分析。在此基础上,提出了影响SOFC堆中气流分布均匀性最关键的优化参数,并且对其物理来源做了分析。文中还给出了计算这个关键优化参数合适值的简单理论算法。经过与CFD计算结果比较,证实了简单算法的有效性。采用了类似的方法研究了平板式SOFC单电池内气道问题。详细评估了主要几何参数对气流分布均匀性的贡献,并着重讨论了在保持气道进口端宽度与出口端宽度之和为常数的情况下,如何获得最佳的气流分布均匀度。下面是每章主要内容的简要介绍。 第一章首先介绍了燃料电池研究背景和主要分类,然后介绍了SOFC基本结构和基本原理以及各个组件常用材料,最后是平板式SOFC常见的气道设计样式。 第二章主要对数值研究SOFC和数值研究SOFC气道问题进行了文献综述。 第三章首先介绍了SOFC中主要物理过程的数学模型,如气道内气体输运模型、气道与多孔电极之间对流质量交换和气体在多孔电极内输运模型等。然后介绍了基本的流体力学背景。最后介绍了本论文研究所用的计算流体力学(CFD)概况以及相关软件基本情况。 第四章首先建立了真实的三维平板式SOFC堆,在此基础上,分别对电池堆中的空气气道和燃料气道建立了真实的气道模型。然后选择了5个几何参数作为优化参数,用CFD软件系统计算了每个优化参数对气流分布均匀度的贡献。通过系统的优化分析后,提出了对电池堆中气流分布均匀性影响最大的优化参数是电池堆气道出口端宽度与进口端宽度的比值。一个合适的比值可以大大提高气流在电池堆内的气流分布均匀性。在文中还对该优化参数的物理来源做了详细讨论。在最后一部分,给出了一个理论计算这个合适比值的简单算法,通过与CFD实验的比较,结果发现在误差范围内二者吻合。 第五章在第四章工作的基础上,对平板式SOFC单电池内气道进行了优化分析。为了适应单电池制作越来越大的趋势,在这项工作中,选择了大尺寸的气道模型(20cm×20cm),气道的样式为常用的U形设计。所选的优化参数为气道进出口端的横截面积“纵横比”、气道高度和进出口比例等。并着重讨论在保持气道进口端宽度与出口端宽度之和为常数的情况下,如何获得最佳的气流分布均匀性。 第六章对本论文进行的研究工作进行了总结。


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