發(fā)布時(shí)間：2020-07-20 15:50

【摘要】：固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一種利用電化學(xué)反應(yīng)直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。憑借著清潔高效的突出優(yōu)勢(shì),SOFC在能源環(huán)境問題日益突出的當(dāng)下越來越引起各方的重視。隨著SOFC輸出性能的提高和工作溫度的降低,電池中的濃差極化和活化極化日益凸顯。其中濃差極化來源于多孔電極對(duì)氣體傳輸?shù)淖枇臀镔|(zhì)在電堆中的不均勻分配,活化極化則取決于于電極提供的反應(yīng)位置的多少和催化活性的強(qiáng)弱。為了減小這兩種極化,一方面可以通過改變電極微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)物質(zhì)傳遞和反應(yīng)活性位增加;另一方面可以優(yōu)化電堆設(shè)計(jì)為電池的各個(gè)位置創(chuàng)造最大化和最優(yōu)的反應(yīng)條件,降低損耗,提高輸出。在微觀電極中,一些結(jié)構(gòu)參數(shù),如孔隙曲率和單位體積中反應(yīng)活性位長度分別對(duì)濃差極化和活化極化有直接影響,所以必須準(zhǔn)確計(jì)算其大小,明確孔隙曲率和反應(yīng)活性位與各自決定因素的關(guān)系,這樣才能幫助我們準(zhǔn)確評(píng)估各種極化損失,引導(dǎo)我們優(yōu)化電極微結(jié)構(gòu)來減小濃差極化和活化極化。在宏觀電堆中,一方面可以通過優(yōu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)使得物質(zhì)在電堆中均勻分配,保證盡可能多的反應(yīng)位置都有足夠的反應(yīng)物供應(yīng);另一方面,由于高溫有利于反應(yīng)動(dòng)力學(xué),所以可以通過控制電堆中的溫度分布,以促進(jìn)原本溫度較低的反應(yīng)位置的活性。尤其是當(dāng)碳?xì)錃怏w被用作燃料時(shí),吸熱的內(nèi)重整反應(yīng)會(huì)造成電堆局部過冷,影響反應(yīng)活性。圍繞著這兩大主題,本論文在微觀上研究了兩個(gè)重要的電極形貌參數(shù):孔隙曲率和反應(yīng)活性位長度;宏觀上開發(fā)了一個(gè)全尺寸-多物理場(chǎng)SOFC模型,具體內(nèi)容如下:1.傳統(tǒng)粉末燒結(jié)電極孔隙曲率的獲取:由于SOFC多孔電極結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和無規(guī)則性,整體有效擴(kuò)散系數(shù)往往被用來表征電極的氣體傳輸特性,該系數(shù)的大小強(qiáng)烈依賴于電極微觀形貌參數(shù),如孔隙率和曲率。其中曲率定義為氣體在電極中實(shí)際傳輸路徑長度與直線最短距離之比,它表征了氣體在孔隙中傳輸?shù)那酆碗y易程度,對(duì)濃差極化有重要影響。傳統(tǒng)SOFC電極基于粉末燒結(jié)技術(shù),固體相和孔隙相隨機(jī)分布于電極中。已有的微觀參數(shù)研究手段如實(shí)驗(yàn)上的重構(gòu)法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,難以獲得普遍關(guān)系式;而模擬法中常用的3D球堆模型往往又低估了曲率值。由于缺乏合理的曲率計(jì)算式,目前曲率值的取用實(shí)際上處于一種不合理的任意確定的狀態(tài),比如直接將曲率當(dāng)作可調(diào)參數(shù)來匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這顯然是不合理的。為了準(zhǔn)確地評(píng)估SOFC電極孔隙曲率,本文從電極真實(shí)結(jié)構(gòu)出發(fā),采用了新的3D立方體堆積方法構(gòu)建電池結(jié)構(gòu);然后結(jié)合擴(kuò)散過程模擬和理論推導(dǎo),給出了與實(shí)際測(cè)量值相吻合的曲率關(guān)系式,該關(guān)系式表明曲率是明確依賴于電極孔隙率的,不是一個(gè)可以任意取值的量;同時(shí)還證明在構(gòu)建電極代表體元時(shí),其邊長必須達(dá)到電極孔隙特征尺寸的15倍才具有充分代表性。2.靜電紡絲電極TPB長度計(jì)算關(guān)系式:SOFC的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在電極中導(dǎo)電子相,導(dǎo)離子相和孔隙相交匯的所謂三相線處。三相線的數(shù)量直接決定著電池活化極化和總體反應(yīng)速率,并最終影響電池性能,特別是隨著SOFC工作溫度的降低,活化極化越來越成為制約電池性能的瓶頸。為了增加三相線密度,通過將某一相材料制成納米顆粒后浸漬在另一相材料制成的骨架表面是一種有效方法。傳統(tǒng)浸漬電極的骨架為球形顆粒,而通過靜電紡絲技術(shù)制得的納米纖維骨架由于具有更高的孔隙率和浸漬表面積而備受關(guān)注。但作為一種新的電極,紡絲電極的優(yōu)越性雖然已在實(shí)驗(yàn)上得到證實(shí),但一直缺乏理論支撐,其三相線長度也沒有合理的計(jì)算式,而宏觀模擬又需要該值作為輸入量。因此,本文結(jié)合已有的其它電極的TPB計(jì)算方法,緊扣靜電紡絲電極的微觀形貌,編寫了浸漬顆粒逾滲率的計(jì)算程序,推導(dǎo)了其TPB的計(jì)算式,并系統(tǒng)地研究了TPB長度與其決定因素的關(guān)系。一方面從理論上證明了靜電紡絲電極性能優(yōu)越的原因;另一方面證明越細(xì)的纖維和浸漬顆粒以及越小的顆粒-纖維尺寸比有利于TPB的增加。3.全尺寸多物理場(chǎng)的SOFC模型的構(gòu)建:宏觀層面,流場(chǎng)和物質(zhì)在電堆中的分布不均勻也會(huì)使局部位置物質(zhì)供應(yīng)不足,產(chǎn)生較大的濃差極化,從而不能充分利用電池的反應(yīng)活性位;同時(shí)由于電池中的反應(yīng)是放熱的而使用碳?xì)錃怏w時(shí)的重整反應(yīng)是吸熱的,流場(chǎng)設(shè)計(jì)和物質(zhì)分布不合理會(huì)導(dǎo)致溫度分布不均勻,這是損害電池壽命的主要因素。為了促進(jìn)SOFC的商業(yè)化,亟需通過優(yōu)化電堆設(shè)計(jì)解決上述問題,而發(fā)展全尺寸多物理場(chǎng)模型作為電堆優(yōu)化設(shè)計(jì)工具是一種廉價(jià)高效的方法。但是由于電堆復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加上強(qiáng)耦合的電荷,動(dòng)量,質(zhì)量和能量傳輸過程以及電化學(xué)反應(yīng),使得全尺寸多物理場(chǎng)電堆建立和求解十分困難。有鑒于此,本文初步探索采用CFD方法開發(fā)建立一個(gè)全尺寸多物理場(chǎng)的SOFC模型。該模型幾何上包括了五層的電池結(jié)構(gòu),連接體,密封框和集流管;物理過程上包括了電荷,動(dòng)量,質(zhì)量和能量守恒方程,所用參數(shù)部分來源于前兩章的結(jié)論。采用ANSYS Fluent?及二次開發(fā)接口用戶自定義方程UDF,用戶自定義標(biāo)量UDS和用戶自定義緩存UDM作為建模手段,在囊括主要物理過程和電堆部件的情況下建立了SOFC模型。該模型成功地獲取了電堆中各種物理量的分布,為后續(xù)的其它研究打開了一扇大門。針對(duì)電池中溫度分布不均勻的情況,本文還提出了一種創(chuàng)新的電堆設(shè)計(jì)方案,通過流場(chǎng)的交錯(cuò)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)冷熱流體相互換熱,降低了電堆最高溫度和溫度梯度。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM911.4
【圖文】：

能很好應(yīng)對(duì)這些問題的手段，對(duì)其的研究具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然后燃料電池的歷史和現(xiàn)狀，并將重點(diǎn)總結(jié)固體氧化物燃料電池(Solid Oxide FuC)的原理，優(yōu)勢(shì)，構(gòu)型，材料和基本理論。最后對(duì)本課題主要研究對(duì)象——微觀結(jié)構(gòu)做文獻(xiàn)綜述并說明課題研究的目的、內(nèi)容和方法，為后續(xù)各章打下研究背景中國作為經(jīng)濟(jì)總量全球第二且發(fā)展最快的經(jīng)濟(jì)體，在經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)高速增長的背化石能源的空前消耗和由此造成的環(huán)境惡果。為了走可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)之路須以更高效的方式利用所剩不多的能源，而為了不重蹈先污染后治理的覆轍必須探尋更加清潔的能源利用方式。與此同時(shí)，經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型發(fā)展和人民生活高，又對(duì)終端能源的形式提出了新的要求，其中一個(gè)重要的趨勢(shì)就是對(duì)電能續(xù)攀升，因?yàn)閷?duì)終端用戶來說，電能是一種清潔而方便的能源形式。尤其是的升級(jí)和人們家居水平的提高，全面電氣化已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；而隨著電具的普及，部分之前以油氣形式利用的終端能源將轉(zhuǎn)向電能。這一趨勢(shì)不只

江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文對(duì)于主要以發(fā)達(dá)國家為主的經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織，目前的人均電能消費(fèi)遠(yuǎn)高的國家和地區(qū)，也遠(yuǎn)高于世界平均值。而中國將在未來幾十年趕上發(fā)達(dá)國家如此高的人均電能消耗再乘以中國龐大的人口基數(shù)，這一總量將是巨大的。是我國是一個(gè)富煤貧油少氣的國家，目前，我國煤炭發(fā)電占總發(fā)電量的 75%際水平高出 28%。眾所周知，我國燃煤發(fā)電由于技術(shù)和監(jiān)管原因，污染比較目前我國整體的化石燃料發(fā)電效率與發(fā)達(dá)國家相比還比較低(圖 1.2)。所以，探索更清潔高效的發(fā)電方式，尤其是煤發(fā)電。幸運(yùn)的是，煤化工的發(fā)展為我更多選擇，如煤粉反應(yīng)，煤氣化等。

圖 1.2 單位燃料發(fā)電效率對(duì)比[2]Fig. 1.2 Generating efficiency per fuel source在我國仍大量以煤作為一次能源的同時(shí)，世界能源體系卻正經(jīng)歷著深刻的變化正如圖 1.3 所示，自工業(yè)革命以來，人類能源利用體系經(jīng)歷了固體煤炭，液體石段，且目前正在向氣態(tài)烷烴轉(zhuǎn)變，而在更遙遠(yuǎn)的未來更有可能進(jìn)入氫能時(shí)代，從到氣態(tài)，從多碳到多氫已然成了能源利用的明顯規(guī)律，這一點(diǎn)也可以從發(fā)達(dá)國家氣消費(fèi)比例逐漸增大和我國的“去煤化”趨勢(shì)得到印證。所以在可預(yù)見的未來，將逐漸替代煤炭成為我國主要的一次能源。綜上所述，未來能源利用的一些趨勢(shì)是：用于發(fā)電的一次能源將增加；在“去”的同時(shí)探索高效清潔的煤利用方式；準(zhǔn)備迎接以氣態(tài)燃料為主發(fā)電的時(shí)代。而

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 孔為;固體氧化物燃料電池和磁控濺射陰極的理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

2 陳代芬;固體氧化物燃料電池性能的微結(jié)構(gòu)理論與多尺度多物理場(chǎng)模擬[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2763644