【摘 要】
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与传统的发电技术相比,燃料电池技术是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种能量转化技术,在理论上具有较传统热力发电技术更高的能量转化效率,其中,固体氧化物燃料电池(SOFC)被认为是船舶应用领域中潜在的热电联供技术。由于目前SOFC电堆的制造工艺昂贵、费时,因此直接通过实验研究进行电堆内各项参数的评测并不方便。此外,由于SOFC电池组是在高温条件下运作的,所以很难测量电堆微小通道内部的多物理场分布的
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与传统的发电技术相比,燃料电池技术是将燃料中的化学能直接转化为电能的一种能量转化技术,在理论上具有较传统热力发电技术更高的能量转化效率,其中,固体氧化物燃料电池(SOFC)被认为是船舶应用领域中潜在的热电联供技术。由于目前SOFC电堆的制造工艺昂贵、费时,因此直接通过实验研究进行电堆内各项参数的评测并不方便。此外,由于SOFC电池组是在高温条件下运作的,所以很难测量电堆微小通道内部的多物理场分布的细节,但是随着计算机的飞速发展,许多无法通过理论分析或实验测量来解决的复杂科学和工程问题已经可以通过计算机模拟仿真来实现,三维模拟仿真被认为是电堆设计时获取电堆内部工作细节的一种高效快捷的方法。为了高效精准的预测SOFC电堆内各类物理量的分布特性,本文首先通过耦合电化学模型、电化学反应动力学模型以及流体动力学模型的数学方程,搭建了一个可用于描述SOFC电堆内部多物理场全耦合现象的数值平台。同时针对商业仿真软件ANSYS Fluent在SOFC电池模块方面的不足,我们利用VC++对软件实施二次开发,开发出了Fluent适用的多物理场全耦合求解子程序以及配套的使用流程,实验验证结果表明该数值平台有着良好的准确性与稳定性。基于搭建出来的数值平台,针对大尺寸SOFC电堆模拟仿真领域中存在的各类简化现象,建立一个18层电堆模型和三个20层电堆模型,用以对比在不同程度控制方程简化以及模型结构简化的条件下电堆内动热质电耦合分布特性的差异。通过分析比较电堆内部的流场、组分以及传热的分布,总结出影响SOFC电堆大尺度数值仿真计算准确性的因素,为下一步发展SOFC电堆预测模型提供了指导。基于上述研究结果,我们以较复杂的叉指式燃料流道的SOFC电堆为例,建立了全尺寸多物理场全耦合的三维数值分析模型。三维大尺度模型包含了大部分复杂的固体、空间流动和多孔介质的部件结构。动量、连续性、组分、能量、电荷守恒方程和电化学反应方程被详细的耦合到电堆中相对应的区域,以此进行高精度的仿真研究。成功预测出电堆内精准的空气/燃料流量、氢气/氧气摩尔分数、温度、电子电流、阳极/阴极电化学反应等分布细节,经过对比分析,表明开发出的模型以及所涉及的研究方法可用于类似实验研究前的指导。
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