梯度颗粒阳极固体氧化物燃料电池电性能的数值研究

本文通过建立梯度颗粒阳极固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的三维数学模型,系统地研究了梯度颗粒阳极SOFC的电性能,深入分析了梯度颗粒阳极对SOFC电性能的影响机理。研究发现,梯度颗粒阳极设计可以有效降低阳极内的活化极化、浓度极化和欧姆极化。在本文的参数设置下,梯度颗粒阳极设计的SOFC最大输出功率密度可达到0.90 W·cm~(-2),相比于颗粒尺寸为0.5μm、1.0μm和1.5μm的阳极SOFC,增幅分别为2.59%、10.30%和16.26%。因此,梯度颗粒阳极设计的SOFC可以显著提高电池的电性能。     

梯度孔隙阳极固体氧化物燃料电池传质与电性能研究

本文通过建立梯度孔隙阳极固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的三维数学模型,模拟了SOFC内部气体传输现象及电性能,通过对比梯度孔隙阳极SOFC与均匀孔隙阳极SOFC的能质传递特性,揭示了梯度孔隙阳极的优越性。研究发现,梯度孔隙阳极设计在保证传质特性不降低的同时,有效调整了电极与其他部件特别是电解质热膨胀系数的匹配。在本文的参数设置下,梯度孔隙阳极设计的SOFC最大输出功率可达到1.005W·cm~(-2),相比于均匀孔隙阳极SOFC,至少可提高8.78%。因此,梯度孔隙阳极设计的SOFC可以显著提高电池的电性能。     

基于多物理场模拟的低水甲烷燃料固体氧化物燃料电池的抗积碳阳极设计（英文）

本文采用与实验I-V曲线高度吻合的多物理场全耦合数值模型来模拟低水甲烷燃料SOFC的运行过程.基于抗积碳电流密度实验数据推导出的动力学积碳活性判据,利用多场耦合数值模型系统研究了电池工作参数和阳极扩散阻碍层厚度对阳极积碳倾向的影响.仿真模拟揭示了燃料利用率、电流密度、扩散阻碍层厚度和电池工作电压的相互关系.结果表明,在阳极添加400 um厚的扩散阻碍层是实现SOFC高功率密度和不积碳运行的最优设计.这种阳极结构设计对实现高效率低成本的SOFC技术具有重要意义.     

基于多物理场模拟的低水甲烷燃料固体氧化物燃料电池的抗积碳阳极设计

本文采用与实验I-V曲线高度吻合的多物理场全耦合数值模型来模拟低水甲烷燃料SOFC的运行过程. 基于抗积碳电流密度实验数据推导出的动力学积碳活性判据,利用多场耦合数值模型系统研究了电池工作参数和阳极扩散阻碍层厚度对阳极积碳倾向的影响. 仿真模拟揭示了燃料利用率、电流密度、扩散阻碍层厚度和电池工作电压的相互关系. 结果表明,在阳极添加400 um厚的扩散阻碍层是实现SOFC高功率密度和不积碳运行的最优设计. 这种阳极结构设计对实现高效率低成本的SOFC技术具有重要意义.     

固体氧化物燃料电池产功机理研究

本文基于电化学反应原理及热力学分析方法,研究固体氧化物燃料电池非热力循环产功机理.基于电化学反应原理,建立了SOFC性能分析模型,研究了SOFC电池性能与电化学参数之间的变化关系,从而揭示了SOFC化学能直接转变为电能的机理;分析了热力学参数及电化学参数对SOFC系统性能的影响规律,提出改善SOFC电池性能的途径,并揭示了通过SOFC与先进热力循环系统集成进一步提高动力系统性能的潜力.本文研究成果为开拓研究高效SOFC复合动力系统提供有益的参考.     

直接甲醇燃料电池热传递数值模拟

本文建立了二维两相非等温的直接甲醇燃料电池(DMFC)模型,综合考虑了DMFC中的电化学反应、热传递、组分传递和甲醇串流。计算了电池内的温度分布、不同电流密度下的膜电极内部最大温差和膜电极平均温度;在此基础上研究了环境和甲醇进口浓度对电池性能、膜电极内平均温度和最大温差的影响。结果表明:膜电极内阴极的温度高于阳极;甲醇进口浓度的上升导致膜电极内平均温度和最大温差上升;环境对电池性能的影响很小。     

阳极电极电解处理对微生物燃料电池性能影响

本文采用氨水浸泡、氨水电解、磷酸缓冲液电解三种方法对微生物燃料电池阳极电极进行了预处理,对处理后的电极表面的浸润性、微观结构、官能团进行了分析,获得了阳极电极电解处理对微生物燃料电池性能的影响。实验结果表明:电解处理改变了碳布表面的浸润性和表面官能团的种类与含量,引起碳布表面发生碳腐蚀甚至形成多孔,增加了底物的有效浓度,同时提高了阳极电极的电化学活性,最终使得微生物燃料电池的性能得到25%的提升。     

平板式固体氧化物燃料电池多物理场耦合建模

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)在高温下工作,影响电池性能和结构完整性的因素众多,如何能够综合考虑这些因素并准确地预测和优化电池结构与工作性能是亟待解决的问题。使用COMSOL软件建立了单个平板式固体氧化物燃料电池多场耦合有限元三维模型,考虑电化学反应、物质浓度、流体流动、传热和固体力学多物理因素共同作用下,探明了电池在工作阶段的气体摩尔分数、电流密度、温度和热应力的分布规律。结果表明,氢气和氧气的摩尔分数随着气体流动的方向逐渐降低;在电池空气入口处,电解质电流密度较大;电池温度分布不均匀并产生了较大的热应力。本文建立的SOFC多场耦合模型可为后续SOFC的研究提供分析方法和理论支持。     

连续梯度的功能层对燃料电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响

连续梯度的电极由于其相对于多层梯度电极能更加有效地缓解电极和电解质的热失配及改善界面黏接而受到特别的关注. 本文通过建立含连续梯度的阳极功能层的阳极支撑固体氧化物燃料电池的力学模型, 研究了连续梯度的阳极功能层对阳极支撑固体氧化物燃料电池半电池在初始还原过程中曲率及残余应力的影响. 结果表明电池的曲率在初始还原过程中随还原程度的增大而逐渐增大. 连续梯度的阳极功能层的引入不能同时改善电池的曲率和残余应力, 即连续梯度的阳极功能层在缓解应力的同时会导致曲率的增大, 反之亦然. 含有连续梯度的阳极功能层的电池在部分还原状态下, 梯度层/阳极支撑界面处具有最大的拉应力容易导致电池受损, 实际中应保证电池被完全还原.     

SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟

目前对SOFC的研究主要通过数值分析方法,由于传统宏观模型不能准确描述其内在机理,而细微尺度模拟则面临计算机内存开销巨大,CPU耗时过长的问题。因此本文提出一种用于模拟SOFC电化学性能的伸缩式投影Adams多尺度模拟方法,建立SOFC的系统模型,首次以多尺度的观点从介观尺度出发对SOFC电化学性能进行模拟。研究其各电化学性能参数之间的关系以及入口燃料/空气成分含量、SOFC工作温度、压力对电化学性能的影响,论证了该方法的有效性。     

PEMFC阳极间歇排氢电化学反应过程的MRTBoltzmann研究

本文基于单相等温模型,以间歇排气PEMFC阳极部分为研究对象,采用多松弛Boltzmann方法从孔隙尺度对间歇排气PEMFC内阳极中的流动、传质、电化学反应等电池局部特性进行模拟,并研究了操作温度、压力等对阳极局部特性分布的影响。结果表明,多松弛Boltzmann方法可以很好地预测PEMFC阳极流体流动情况,间歇排氢有助于提升电池的性能,电池操作温度及压力对间歇排氢的电池性能有一定的影响。     

固体氧化物燃料电池

高效、洁净、全固态结构、高温运行的固体氧化物燃料电池(SOFC)是把反应物的化学能直接转化为电能的电化学装置，这种新型发电技术是目前发展最快的能源技术之一，有望在近年内走向商业化应用。SOFC单体电池由致密的电解质和多孔的阳极、阴极组成，现在主要发展了管状结构和平板式结构两种形式，单体电池通过致密的连接体材料以各种方式组装成电池组，广泛应用于大型发电厂、热电耦合设备、小型供能系统和交通工具等，市场前景广阔。     

直流道PEMFC两相流数学模型

建立直流道质子交换膜燃料电池(PEMFC)三维非等温两相流数学模型,基于质子交换膜与气体之间的水分传递特征,综合考虑电渗、浓度扩散及电化学反应作用的影响,发展了膜电极水分传递的非平衡扩散模型.并自主开发程序代码对电池内复杂的多物理场耦合传递过程进行数值模拟,研究PEMFC电极内气态水、液态水分布、质子膜含水量分布和水迁移特性等,分析单电池内部的温度分布特征,并获得电池极化性能曲线.     

基于电池热特性及产热行为的新型锂离子电池评价

建立了一种新的基于锂离子电池热特性及产热行为的电池性能评价方法. 通过测量一系列不同容量及电极材料的18650电池在不同充放电时间及电流下其充放电能量的变化,建立了一个包含焦耳热与极化热影响因子的表达电池在充放电过程中的能量损失的模型. 利用这种模型,计算出电池总内阻R以及极化参数′,并且对R及′在不同温度下的变化情况进行了研究,建立一个对不同电池和不同温度都适用的普适性模型.     

LiCoO_2电池正极微结构模拟退火重构及传输物性预测

采用实验或数值方法对多孔复合电极微结构进行重构和特征化不仅是锂离子电池介观尺度数值模型的重要组成部分,也是通过数值技术由底向上进行电极微结构虚拟设计与优化的基础.本文以某商用LiCoO2电池正极的孔隙率、电极组成材料的组分体积分数、活性材料颗粒粒径分布、相关函数等重要结构与统计信息作为输入参数,采用模拟退火法对其微结构进行了数值重建,得到了明确区分活性材料、固体添加物以及孔相(电解液)的微结构,其重要特性参数与实际电极一致.对重构电极的特征化分析,得到了电极内部各组分的连通性、孔径分布等特征信息.同时,采用D3Q15格子Boltzmann模型计算了重构电极的有效热导率以及电解液(或固相)的有效传输系数.与随机行走模拟或Bruggemann等经验公式相比,基于实际电极微结构细节信息的介观数值方法对多孔电极有效传输系数的预测更为准确可靠.     

固体氧化物燃料电池模式阳极内传输与电化学反应耦合机理

模式电极因其结构可控、电化学/化学反应活性位和物质传输路径明确等优势,被广泛应用于固体氧化物燃料电池新型电极研究.现有研究多采用模式电极研究新材料电化学特性、表界面催化反应机理等,尚未涉及几何结构对其内部传输与电化学反应耦合机理的影响,限制了模式电极的应用.本文建立了固体氧化物燃料电池阳极内电荷传输与电化学反应过程的格子玻尔兹曼模拟方法,明确了控制电极过程的关键无量纲参数及其对电极性能的影响规律,研究了模式阳极几何结构的影响机理.根据电极性能对无量纲参数的敏感程度,绘制了指导模式阳极设计与运行的相图,指出相图过渡区(电极性能随操作参数显著变化区域)为进行反应机理研究的最佳操作参数取值范围.同时,研究发现模式阳极电子导体内电子的快速迁移虽不限制阳极性能,其几何结构显著影响过渡区范围;离子导体内离子迁移为影响阳极性能的限速步骤,但其几何结构几乎不影响过渡区范围.本文的数值方法与机理研究结果可为固体氧化物燃料电池模式电极的设计提供重要理论依据.     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

平板式阳极支撑SOFC多场耦合数值模拟

建立了平板式固体氧化物燃料电池多场耦合数学模型,利用商业CFD软件FLUENT对包括阳极和阴极多孔介质、致密固体氧化物电解质、燃料流道、氧化剂流道、电流收集双极板、外壳的单电池三维整体计算区域进行了数值模拟,得到了流场、温度场、组分浓度场、电流密度场、Nernst电动势、活化过电势和欧姆过电势等重要物理量的详细分布,并分析了影响电池性能的主要因素。模拟结果与SOFC研制单位提供的实验数据基本符合。     

质子交换膜燃料电流道淹没与传质强化

在地面常重力环境下,采用透明电池可视化方法研究了质子交换膜燃料电池阳极和阴极的流道淹没现象。分别研究了阳极和阴极反应物流量对电池内部传质和电池性能的影响。结果表明,电池阴极的淹没区域比阳极大,由电极淹没引起的气体传质受限和电化学反应受限主要发生在阴极。提高反应物流量能够强化气体传质并提高电池性能,并且提高电池阴极侧反应物流量比提高阳极侧反应物流量对提高电池性能更有效。本文工作为进一步开展微重力环境中的燃料电池实验提供了比较依据。     

基于截面重构的液流电池内部多组分输运强化

有机液流电池以其低廉的价格和优异的电化学性能受到广泛关注。本文以醌-铁有机液流电池体系为研究对象，建立了多孔电极内部多组分输运模型，并搭建实验台验证了其可靠性。基于传统的蛇形流道，本文研究了流道截面形状对多孔电极内部多组分输运过程和电池性能的影响机理。结果表明，与传统矩形截面流道相比，在相同操作条件下半圆形的截面流道消耗更低的充电电压并且具有更高的放电电压。相较传统矩形截面流道，具有半圆形截面流道的电极均匀性因子最多提高了7.4%。且在电极四分之三切面处，半圆形截面流道电极的反应物浓度比传统电极高10.8%，大幅增强了活性离子的输运。半圆形的流道截面的提出，有利于基于有机液流电池大规模储能技术的发展。