东南大学
硕士学位论文
固体氧化物燃料电池的CFD模拟
姓名：李瑜璞
申请学位级别：硕士
专业：材料学
指导教师：于金
20090101摘要
摘要
固体氧化物燃料电池（ＳＯＦＣ）以其高能量转换效率，环境友好和对燃料气适应性广等特
点，已成为下一代能源转换装置的首选之一。众所周知，一氧化碳与氢气的混合气制备较简单，来源丰富。如能合理地用作ＳＯＦＣ燃料气，则其运行成本可以大大降低。
本文根据ＳＯＦＣ的工作原理，采用一氧化碳和氢气的混合气为燃料，建立平板式ＳＯＦＣ
单体、串联的单流道、多流道三维数学模型，应用计算流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ及编写部分子
程序对其进行模拟计算。分析了一定工况条件（燃料流速、空气流速、燃料气组分比例等）４
个不同流场下的串联ＳＯＦＣ传热传质现象和电学性能；分析不同流场设计对多流道ＳＯＦＣ热学性能、电学性能的影响；比较了单体、串联与多流道ＳＯＦＣ在相同工况条件下的热学、
电学性能。结果表明：对单体及串联ＳＯＦＣ，燃料气和氧化气在同向进气的情况下较反向
进气的电流密度、温度场分布均匀，同时，调节燃料气和空气流速，也可以使电流密度和电池温度场的分布更趋均匀。多流道ＳＯＦＣ采用交叉流设计时热电性能最优。增加燃料气
中氢气与一氧化碳的质量比至ｌ：１６，电池的热学、电学性能能够保持在合理范围内。ＳＯＦＣ
的电解质越薄，其热电性能越好。在相同工况条件下多流道ＳＯＦＣ较单体及串联ＳＯＦＣ的
温度略高，电学性能略好。
关键词：固体氧化物燃料电池：三维数值模拟：热学性能；电学性能；ＦｌｕｅｎｔＡｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｓｏｌｉｄｏｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌｓ（ＳＯＦＣ）ａｒｅａｍｏｎｇｐｏｓｓｉｂｌｅｃａｎｄｉｄａｔｅｓｏｆｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｓｉｎｃｅｔｈｅｙ’ｒｅｃａｐａｂｌｅｏｆｐｒｏｖｉｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｒｉｅｎｄｌｙ，ｈｉｇｈｌｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ＳＯＦＣＳａｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｆｕｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｏｔｈｅｒｆｕｅｌ
固体氧化物燃料电池及其制备工艺文献综述
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要提升·到焉知
焉知焉知·焉能不知
1.引言
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
它除了具有一般的燃料电池的高效率，低污染的优点外，SOFC还具有以下特点：
⑴ SOFC的工作温度可达1000摄氏度，是目前所有燃料电池工作温度最高的经由热回收技术进行热电合并发电，可以获得超过80%的热电合并效率。
⑵SOFC的电解质是固体，因此没有电解质蒸发与泄露的问题。而且电极也没有腐蚀的问题，运转寿命长。此外，由于构成材料的池体材料全部是固体，电池外形具有灵活性。
⑶SOFC在高温下进行化学反应，因此，无需使用贵重金属作为触媒，且本身具有内重整能力，可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，简化了电池系统。
⑷ SOFC能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统。
⑸SOFC具有较高的电流密度和功率密度。
⑹SOFC的系统设计简单，发电容量大，用途较为广泛。
固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。SOFC的应用范围相当广泛，几乎涵盖了所有的传统的电力市场，包括宅用、商业用、工业用以及公共事业用发电厂等，甚至便携式电源、移动电源、偏远地区用电及高品质电源等，还可作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源。其中以静置型的商业用电源、工业用热电合并系统及小型电源市场较为看好。[1]
2．固体氧化物燃料电池发展背景
燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；[17]德国西门子公司1995年开发出10kW级的平板型SOFC，1996年又推出7. 2kW级模块。德国尤利希研究中心(Researcher CenterJuelich)，Fraunhofer陶瓷技术和烧结材料研究院(Fraunhofer Institute Ceramic
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展
摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展
1．固体氧化物燃料电池发展背景
燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。以美国西屋电气公司(Westinghouse
Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。接下来预备在德国安装320kW联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.
另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。环球热电公司获得的功率密度，在700℃运行时，达到0. 723W/cm2。日本产业技术院电子技术综合研究所从1974 年开始研究SOFC，1984年进行了500W发电试验，最大输出功率为1. 2kW。日本新阳光计划中，以产业技术综合开发机构(NEDO)为首，从1989年开始开发基础制造技术，并对数百千瓦级发电机组进行测试。1992年开始，富士电机综合研究所和三洋电机在共同研究
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。
固体氧化物燃料电池是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。
固体氧化物燃料电池单体主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)组成。
固体氧化物燃料电池的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。
单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。目前SOFC组的结构主要为：管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。
