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1、华中科技大学 硕士学位论文 固体氧化物燃料的电池电化学分析与数值仿真 姓名：曾淑琴 申请学位级别：硕士 专业：水利水电工程 指导教师：王乘 20070302 I 摘摘 要要 固体氧化物燃料电池是高效、环境友好的发电装置。由于是全固态结构，相比 其它类型的燃料电池，固体氧化物燃料电池具有结构设计方便，发电效率高等特点， 已经在世界范围内引起研究热潮。固体氧化物燃料电池中的流动特性与电化学反应 相互耦合，并决定了电池的输出特性。本文数值仿真研究的重点在于通过改善电池 工作条件来改善流场分布，从而达到改善电池输出特性的目的。 本文对固体氧化物燃料电池进行了理论分析，基于电化学动力学的基本原理推 导了
2、电池中电化学特性相关的活化极化、浓差极化和欧姆极化等不可逆因素及这些 不可逆因素与现象的成因和对电池输出性能及的影响。本文对电流在电池内的传输 过程采用了梯形电路模型进行等效，将其简化为垂直于电极/电解质反应面的一维传 输，从而简化了计算求解过程。 本文的数值仿真模拟过程以计算流体动力学(CFD)软件 FLUENT 和其前处理器 GAMBIT 为工具，以氢为燃料的平板状固体氧化物燃料单电池为研究对象，根据固 体氧化物燃料电池内流体流动的基本特性和基本规律建立了质量守恒、动量守恒、 能量守恒和组分守恒方程，考虑了燃料和空气的流动速度和流动方向、电池工作电 压等工作条件的影响，分析了电池的温度分布
3、的改善、输出性能和燃料利用率的提 高与电池工作条件的关系，为固体氧化物燃料电池的实际工作条件的优化提出了指 导意义。同时，本文给出了在给定工作电压求解输出电流的电流求解模型下电池电 极/电解质界面处的电流分布，反应了在电池内部电化学现象与流动状态相互耦合的 特性。 最后，本文考虑了在给定电流条件求解输出电压的电流模型下，氢气、水蒸气 和氩气混合气体为燃料时的数值仿真，并将仿真计算的结果与相似模型和相同工作 条件下的参考文献中试验结果进行对比，验证了该仿真计算的合理性。 关键词：关键词：固体氧化物燃料电池 电化学动力学 数值仿真 FLUENT II Abstract Fuel Cells are
4、 a highly efficient, environmentally benign method of electric power production. Among fuel cells, Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are drawing keen worldwide attention for its flexibility in design and high generating efficiency in respect of all solid constitution compared to other fuel cell systems
5、. The transport phenomena and electrochemical reaction inside solid oxide fuel cells which determine the output performance of the cells are coupled together. And therefore, the emphasis of the numerical simulation work is placed on the development of the operating conditions to improve the species
6、distribution of the flow field with fruition of advanced output performance of the cell. The fundamental of solid oxide fuel cells is given out and the irreversible factors of activation, concentration and ohm polarizations are deduced on the basis of dynamic-electrochemistry principles, in addition
7、, the causations and the effect on the output performance of the cell is accounted. The current transport inside the cell is substituted for an equivalent ladder circuit model, and thereby the whole transport path is reduced to one-dimensional as well as the computation. This numerical modeling work
8、 employed Computational Fluid Dynamics(CFD) packages FLUENT and its preprocessor Gambit as tools, hydrogen fueled planar single solid oxide fuel cells as object, then constructed the mass conservation, momentum conservation, energy conservation and species conservation equations with respects of the
9、 basic characters and rules of fluid flow inside solid oxide fuel cells. Subsequently the work analyzed the relationship between the operating conditions and the improvement of the temperature distribution, the output performance as well as the utilization of fuel, which might in consequence, contri
10、butes some guidelines to the optimization of practical operation for solid oxide fuel cells. Whats more, this dissertation gives out as result the current density distribution at electrode/electrolyte interface and thus reflected the couple character of electrochemistry and the flow states inside th
11、e cell. At last, this dissertation focused for the output voltage under specified current on the III simulation of a model fueled with the composition of hydrogen, water vapor and argon, and then compared the simulation results with those experimental ones under a similar model and the same working
12、conditions as published previously in literature. Good accordance revealed the validity of the numerical simulation of this work. Keywords: Solid Oxide Fuel Cells Dynamic-electrochemistry Numerical modeling FLUENT 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已
13、经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指
14、导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 21世纪将是能源与环保的世纪。能源是国民经济发展的动力，是衡量综合国力， 国家的经济发展与人民生活的重要指标。能源的开发、资源的利用与环境保护相互 协调发展，将是21世纪经济发展的基础，能源的优化利用与清洁能源的开发，使能 源资源与环境的可持续发展战略的重要组成部分。世界范围内，石油、天然气和煤 等化石燃料也即将耗尽，同时由于长期低效的“燃烧”使用，对环境造成了严重的污 染，使全球的气候变暖，生态环境遭到了破坏，而且不断恶化。 随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式的重大
15、弊病。通过 热机转换过程先将燃料中的化学能转变成热能后才转变成机械能或电能，受卡诺循 环及材料的限制，效率很低，同时给人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废 渣、废热和噪声污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地进步，如开发 出了超高压、超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但 这种努力的结果是机组规模巨大、远距离输电，投资上升，综合能源利用率仍然只 有35%左右，并不能从根本上解决大规模的污染问题1。因此在21世纪里，节省能源 与开发新能源，提高燃料的利用率与减少环境污染和发展替代能源成为必须解决的 重要课题。燃料电池因其是一种不经过燃烧过程的低污染、高效的发电装
16、置，是一 种可以利用氢这种新型能源作燃料的一种清洁发电装置，所以已成为21世纪未来的 第四代主要发电技术。 燃料电池与常规的化学电池不同，传统的化学电池本身一个是活性物质的储存 器，当储存的活性物质使用完毕时必须通过充电重新补充活性物质后才能使用。而 燃料电池的电极本身不储存活性物质，而只是一个催化转换元件，燃料和氧化剂等 活性物质都必须是从燃料电池的外部来供给，原则上只要这些活性物质不断地输入， 产生的废物不断地排出，燃料电池就能够连续不断地发电2。 在21世纪的今天，地球上的化石燃料在可预见的将来即将面临枯竭，而且带来 越来越严重的生态问题的情况下，世界各国都在寻求一种取之不尽的清洁能源。氢 能源和其载体氢燃料电池顺应潮流成为这一工作的重点。各个国家之间竞相角 2 逐，纷纷站开了一场没有硝烟的战争。全世界各地已有许多医院、学校、商场等公 共场所都已经安装了燃料电池进行并联供电或示范运转，而主要的汽车制造商也已 经开发各种燃料电池原型车辆，在北美和欧洲的许多城市，以燃料电池为动力的公 共汽车正投入示范运行。此外
