本文關(guān)鍵詞：平板式固體氧化物燃料電池連接體的設(shè)計與優(yōu)化

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【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種新型的能量轉(zhuǎn)換裝置,具有高效清潔、燃料靈活、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)勢,被認為是21世紀最有應(yīng)用前景的新能源技術(shù)之一。連接體作為SOFC的重要組成部件,除了可以連接相鄰單電池的陽極和陰極,起到集流作用外,還可為反應(yīng)物和生成物提供通道,避免燃料氣與氧化氣的直接接觸。其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接關(guān)系到電池的輸出性能和長期穩(wěn)定性。由于SOFC工作在高溫、封閉的環(huán)境中,單靠實驗研究成本太高、實施困難。相對而言,基于有限元法的數(shù)值仿真則比較經(jīng)濟、容易實施。因此,本文基于有限元法建立了平板式SOFC二維及三維模型,并以提高SOFC性能為目標對電池的連接體進行合理的優(yōu)化與設(shè)計。具體研究內(nèi)容如下:1.為了探究電池設(shè)計對電堆性能的影響,本文分別從氣體濃度分布、電極電勢分布以及溫度分布等方面,對陽極支撐SOFC和陰極支撐SOFC進行了對比分析。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn),陰極支撐SOFC電堆7033 A m-2的平均電流密度相對于陽極支撐SOFC電堆5580 A m-2的平均電流密度高出了近二十個百分點。而且在最優(yōu)rib情況下,對于任意的接觸電阻和pitch寬度,陰極支撐SOFC電堆的性能都優(yōu)于陽極支撐SOFC電堆的性能。2.針對目前傳統(tǒng)連接體與柱形連接體研究工作中存在的不足,本文提出了相應(yīng)的改進措施。通過對電極中氣體濃度分布、接觸電阻以及pitch寬度的分析,明確了rib尺寸設(shè)計對電池性能影響的重要性。結(jié)果表明,對于給定的pitch寬度和接觸電阻,存在一個最優(yōu)rib使其輸出電流密度最大。如果rib尺寸選擇不合理,由小接觸電阻產(chǎn)生的性能優(yōu)勢將顯著降低,甚至完全消失。通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn),對于給定的pitch寬度,最優(yōu)rib與接觸電阻間近似成線性關(guān)系。最后給出了rib優(yōu)化公式及相關(guān)線性參數(shù)。3.為進一步提高SOFC的輸出性能,本文設(shè)計了一種新型連接體——交叉形連接體。為驗證該新型連接體在性能方面的優(yōu)越性,分別從電極電導率、孔隙率、輸出電壓等方面與傳統(tǒng)連接體、柱形連接體進行對比分析,并基于Taguchi試驗設(shè)計對該新型連接體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明,該連接體的各方面性能都優(yōu)于傳統(tǒng)連接體和柱形連接體,尤其是在陰極電導率較小時、孔隙率較大時以及輸出電壓較低時,這種性能優(yōu)勢更為突出。
【關(guān)鍵詞】：固體氧化物燃料電池 數(shù)值模擬 支撐結(jié)構(gòu) 連接體 優(yōu)化設(shè)計
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.4
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 固體氧化物燃料電池（SOFC）13-20
• 1.2.1 SOFC反應(yīng)原理13-14
• 1.2.2 SOFC常見構(gòu)型14-16
• 1.2.3 SOFC支撐結(jié)構(gòu)16-18
• 1.2.4 連接體18-20
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-24
• 1.3.1 SOFC發(fā)展概述20-21
• 1.3.2 連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計綜述21-24
• 1.4 課題來源及主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 SOFC不同電極支撐結(jié)構(gòu)對比26-40
• 2.1 模型27-32
• 2.1.1 控制方程27-30
• 2.1.2 邊界條件30-32
• 2.2 數(shù)值實現(xiàn)32-33
• 2.3 結(jié)果與分析33-39
• 2.3.1 氣體濃度分布34-35
• 2.3.2 電勢分布35-36
• 2.3.3 溫度分布36
• 2.3.4 rib寬度的影響36-37
• 2.3.5 接觸電阻和pitch寬度的影響37-39
• 2.4 本章總結(jié)39-40
• 第3章 SOFC傳統(tǒng)連接體優(yōu)化設(shè)計40-54
• 3.1 模型41-46
• 3.1.1 幾何模型41-42
• 3.1.2 傳質(zhì)模型42-44
• 3.1.3 導電模型44-45
• 3.1.4 邊界條件45-46
• 3.2 數(shù)值驗證46-48
• 3.3 結(jié)果與分析48-52
• 3.3.1 rib寬度對電池性能影響48-50
• 3.3.2 rib尺寸優(yōu)化50-52
• 3.4 本章總結(jié)52-54
• 第4章 SOFC柱形連接體優(yōu)化設(shè)計54-66
• 4.1 模型55-58
• 4.1.1 幾何模型55-56
• 4.1.2 氣體輸運方程56
• 4.1.3 導電方程56-57
• 4.1.4 Butler-Volmer方程57-58
• 4.1.5 邊界設(shè)置58
• 4.2 結(jié)果與分析58-64
• 4.3 本章總結(jié)64-66
• 第5章 SOFC新型連接體設(shè)計與優(yōu)化66-88
• 5.1 模型66-69
• 5.1.1 幾何模型66-69
• 5.1.2 控制方程及邊界條件69
• 5.2 不同連接體設(shè)計性能對比69-76
• 5.2.1 陽極濃度過電勢分布69-71
• 5.2.2 陰極電勢分布71-72
• 5.2.3 電導率的影響72-73
• 5.2.4 孔隙率的影響73-75
• 5.2.5 pitch寬度和Vop的影響75-76
• 5.3 交叉形連接體結(jié)構(gòu)優(yōu)化76-85
• 5.3.1 陰極連接體多參數(shù)優(yōu)化77-82
• 5.3.2 陽極連接體多參數(shù)優(yōu)化82-85
• 5.4 本章總結(jié)85-88
• 第6章 結(jié)論與展望88-90
• 6.1 論文總結(jié)88-89
• 6.2 研究展望89-90
• 參考文獻90-96
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文與專利96-98
• 致謝98-99
• 詳細摘要99-101

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本文編號：673328