本文選題：固體氧化物燃料電池堆　切入點(diǎn)：多物理場全耦合模型　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將氣體燃料的化學(xué)能通過電化學(xué)過程直接轉(zhuǎn)化為電能和熱能的清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可被運(yùn)用于交通運(yùn)輸、分布式電站,具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。電池堆是S OFC作為發(fā)電裝置的核心工作單元,提高電池堆的發(fā)電效率、運(yùn)行壽命對(duì)于SOFC產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。工業(yè)化SOFC電池堆的工作特征非常復(fù)雜,流場、組分傳輸、質(zhì)量傳輸、電荷傳輸、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)和熱傳輸以強(qiáng)耦合的形式相互影響,共同決定了電池堆的性能。不同于實(shí)驗(yàn)室紐扣電池,電池堆中的流場、電化學(xué)和溫度分布非常復(fù)雜,并且不同電池片之間的串聯(lián)設(shè)計(jì)也導(dǎo)致電池堆的性能難以準(zhǔn)確調(diào)控。利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在調(diào)控、優(yōu)化工業(yè)化大型電池堆時(shí),不僅耗時(shí)、成本高,而且難以準(zhǔn)確把握耦合規(guī)律對(duì)性能的影響。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展,SOFC多物理場全耦合模擬方法展現(xiàn)出強(qiáng)大的計(jì)算和分析能力,可以作為實(shí)驗(yàn)方法的替代和補(bǔ)充,用于優(yōu)化、調(diào)控、設(shè)計(jì)SOFC核心部件。本博士學(xué)位論文圍繞發(fā)展SOFC工業(yè)化電池堆的多物理場全耦合模型以及性能分析展開。下面簡單介紹各章的主要內(nèi)容。第一章首先介紹了固體氧化物燃料電池的背景、結(jié)構(gòu)和工作特征,以及平板型固體氧化物燃料電池的應(yīng)用前景和需要克服的技術(shù)問題。然后,對(duì)平板型固體氧化物燃料電池的多物理場全耦合模擬技術(shù)發(fā)展做了詳細(xì)介紹,并重點(diǎn)指出工業(yè)化電池堆多物理場全耦合模擬的技術(shù)發(fā)展瓶頸。第二章中首先介紹了工業(yè)化SOFC電池堆的全耦合模擬的必要性。隨后,針對(duì)制約SOFC多物理場耦合模擬向電池堆尺度發(fā)展的幾個(gè)主要問題,我們著力解決了關(guān)鍵性的算法和程序問題,包括：(1)改良多物理場耦合算法,降低模擬SOFC電池堆所需計(jì)算資源,(2)改良CFD軟件,使其具備以全耦合的方式求解SOFC工業(yè)化電池堆穩(wěn)態(tài)工況的計(jì)算能力。我們通過在CFD軟件Fluent中嵌入解析算法cathode-rib方程以及自編多物理場耦合模塊,成功地建立了適用于大型電池堆的SOFC電池堆耦合程序模塊。該程序模塊相比傳統(tǒng)CFD軟件將計(jì)算資源降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,并且大幅度提升了計(jì)算穩(wěn)定性和收斂速度,為工業(yè)化電池堆多物理場全耦合模擬的實(shí)現(xiàn)奠定了算法和程序基礎(chǔ)。在第三章中我們中提出,SOFC多物理場耦合計(jì)算模塊必須滿足如下三方面要求：(1)具備傳統(tǒng)CFD軟件中SOFC模塊的計(jì)算功能,即能夠計(jì)算小體系模型。(2)準(zhǔn)確性必須得到驗(yàn)證。(3)可以進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算資源,從而實(shí)現(xiàn)高效的電池堆三維全耦合計(jì)算。(4)降低電池堆耦合計(jì)算中調(diào)試的難度。本章中,針對(duì)這些要求展開一系列計(jì)算,用以驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性、優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置,并發(fā)展了逐步耦合的具備高度穩(wěn)定性的全耦合計(jì)算策略。第四章中,我們成功地建立了世界上第一個(gè)具備完整結(jié)構(gòu)、完全耦合求解的工業(yè)化(30層)SOFC平板電池堆模型,并對(duì)其進(jìn)行性能分析。我們通過全耦合的模擬揭示大型工業(yè)化電池堆中穩(wěn)態(tài)工況的各個(gè)細(xì)節(jié),展示復(fù)雜的傳輸特征和模型強(qiáng)大的計(jì)算能力。并且,將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)簡化算法進(jìn)行對(duì)比,說明發(fā)展高精度的全耦合電池堆模型的必要性。在第五章中,針對(duì)優(yōu)化電池堆中流場分配的問題,我們首先創(chuàng)建預(yù)測氣流分配均勻度的解析方法——衰減方程。通過對(duì)衰減方程的分析,我們發(fā)現(xiàn)SOFC電池堆運(yùn)行特征非常容易誘發(fā)燃料流分配均勻度的衰減行為。而更進(jìn)深入的分析則表明,存在一個(gè)和設(shè)計(jì)相關(guān)的杠桿因子,在衰減行為中扮演著放大或減弱衰減效應(yīng)的作用。通過優(yōu)化這個(gè)杠桿因子,我們可以高效地優(yōu)化氣流分配均勻度,在穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)現(xiàn)非常均勻的流場分配。隨后,我們建立了一系列30層平板電池堆模型來驗(yàn)證理論預(yù)測的衰減行為。這些計(jì)算涵蓋了從簡單的冷流動(dòng)模擬到SOF C穩(wěn)態(tài)模擬,來確保驗(yàn)證的完備性。更重要的是,基于衰減方程的分析,我們獲得了實(shí)現(xiàn)高均勻度流量分配的電池堆設(shè)計(jì)新標(biāo)準(zhǔn)和明晰的設(shè)計(jì)方向。最后,我們依據(jù)解析理論預(yù)測的設(shè)計(jì)方案重新建立了新的30層電池堆模型,其優(yōu)異的高均勻度穩(wěn)態(tài)工況同樣被全耦合的模擬加以證實(shí)。至此,我們提出了改良SOFC電堆氣道設(shè)計(jì)的方案——衰減方程和模擬相結(jié)合。這種方法在應(yīng)用于具備‘氣道-多歧管-子氣道-多歧管-氣道,結(jié)構(gòu)特征的裝置時(shí),在優(yōu)化氣流分配均勻度上顯示出極大的潛力和高效性。第六章對(duì)本博士學(xué)位論文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.4

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;寧波材料所固體氧化物燃料電池單堆運(yùn)行功率達(dá)到2kW[J];功能材料信息;2013年Z1期

2 黃波;朱新堅(jiān);余晴春;戴智華;;千瓦級(jí)熔融碳酸鹽燃料電池堆[J];中國科學(xué):化學(xué);2011年12期

3 宋世棟;韓敏芳;孫再洪;;固體氧化物燃料電池平板式電池堆的研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2014年15期

4 程健;許世森;;固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化[J];化工學(xué)報(bào);2004年S1期

5 錢大;;車用燃料電池堆老化的原理和分析方法[J];汽車與配件;2013年Z1期

6 ;直接甲醇燃料電池項(xiàng)目中試通過驗(yàn)收[J];天然氣化工(C1化學(xué)與化工);2010年01期

7 宋世棟;韓敏芳;孫再洪;;管式固體氧化物燃料電池堆的研究進(jìn)展[J];科學(xué)通報(bào);2013年21期

8 王松清;陳勝洲;葉飛;林維明;;直接甲醇燃料電池堆結(jié)構(gòu)及活化的研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2011年04期

9 程健;許世森;舒凱;;熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電試驗(yàn)研究[J];熱力發(fā)電;2010年06期

10 茹浩磊;葉青;王蔚國;葉爽;彭軍;;固體氧化物燃料電池系統(tǒng)中冷凝器的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J];能源與節(jié)能;2013年06期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;創(chuàng)新中國新型燃料電池 驅(qū)動(dòng)中國電能新發(fā)展——中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員,博士生導(dǎo)師 占忠亮[A];引領(lǐng)中國科技的創(chuàng)新力量[C];2012年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 記者 沈朝暉 通訊員 張立毅;材料所固體氧化物燃料電池團(tuán)隊(duì)入選國家創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃[N];寧波日?qǐng)?bào);2014年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 李昂;固體氧化物燃料電池堆的多物理場全耦合建模和理論模擬[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

2 劉世學(xué);中溫固體氧化物燃料電池多物理場模擬與性能優(yōu)化[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 孫思宇;新型低能耗回收CO_2的IGCC系統(tǒng)研究[D];華北電力大學(xué);2015年

2 吳鵬;硫—氧固體氧化物燃料電池電解質(zhì)片的制備與電池堆的設(shè)計(jì)制造[D];安徽工業(yè)大學(xué);2014年

3 郭超;高濃度供給微型直接甲醇燃料電池堆的設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

4 方碩;μDMFC電堆系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

5 李琛;固體氧化物燃料電池傳熱傳質(zhì)數(shù)值分析[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

，

本文編號(hào)：1679565