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燃料电池堆多物理场分布特性研究及结构优化设计

燃料电池堆多物理场分布特性研究及结构优化设计

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作者：陈振宇江苏科技大学

学位级别：硕士

燃料电池是一种性能优良的电化学发电装置,可将燃料的化学能直接转化成电能。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、清洁和燃料形式多样而受到越来越多的关注,在过去的十年中,SOFC单电池的性能和制造技术得到了极大的提高,已经可以基... 详细信息

燃料电池是一种性能优良的电化学发电装置,可将燃料的化学能直接转化成电能。其中固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、清洁和燃料形式多样而受到越来越多的关注,在过去的十年中,SOFC单电池的性能和制造技术得到了极大的提高,已经可以基本满足商业需求,然而如何在将电池单元堆叠到电池堆中的同时保持电池单元的高性能和如何延长电池堆使用寿命依然是燃料电池技术商业化进程道路上的两大障碍。因此,除了进一步探索新颖的材料外,对SOFC电池堆分析和优化设计理论体系的发展对于燃料电池技术的可持续发展非常重要。(1)首先,对功率为0.5?1.5 k W的多个不同几何参数的20层平板式SOFC电池堆内的空气和燃料流道建立了3D大尺寸流体动力学模型,用于比较和优化这些SOFC电池堆层间和各层上肋道间的空气/燃料的流量分布质量情况。使用电池堆均匀度指数Γ、电堆出入口压降Δp、肋通中气体质量流量的标准偏差因子б来衡量电池堆的性能。研究了各个几何参数,如歧管布局类型,进/排气歧管半径和进/排气集管宽度对于电池堆层间与每层肋道间流量分布质量的影响,并给出了相关结构几何参数的优化建议。(2)基于上述理论,提出了一种新型的SOFC电池堆结构设计方案,其空气流道与燃料流道采用了不同的结构类型,即空气流道采用离散柱形结构形貌的流道,燃料流道采用并行蛇形流道。并通过24层电池堆为例建立三维大尺寸多物理场耦合数值分析模型,评价该设计内部各种物理场分布特性和质量,从层间流量分布、整体温度、电池单元层表面温度组分浓度分布等方面证明这种新型结构的SOFC电池堆设计方案具有良好的性能,值得进一步优化开发。(3)基于上述模型结构,我们对上述电池堆设计方案进行了进一步优化,提出一种具有交叉流,并流和对流流动特征的新型SOFC电池堆结构设计方案。在该方案中,电池堆具有两个独立的空气流道组,通过将奇数层的连接板沿Z轴旋转180度即可得到偶数层堆的连接板。对此结构建立了3D大尺寸多物理场耦合的24层电池堆模型进行分析计算,以证明相较于上述模型,这种具有交叉流-并流-对流综合流动特征的燃料电池堆确实具有更为出色的性能。

关键词：燃料电池堆新型结构设计三维大尺度模型多物理场模拟计算

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