本發(fā)明屬于燃料電池領域，具體涉及一種固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法。
背景技術：
：固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCell，即SOFC)是在高溫環(huán)境下運行的完全固態(tài)結構的燃料電池，也是目前公認的五種燃料電池之一。與目前其他的能量產(chǎn)生裝置比起來，它具有以下幾個顯著的優(yōu)勢：(1)SOFC工作溫度最高可以達到1000℃，系統(tǒng)本身就擁有很高的能量轉(zhuǎn)換效率。如果再使用熱回收技術進行熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，在此種系統(tǒng)中，它的總效率可以達到70％-80％，是所有發(fā)電技術中最高的。(2)SOFC具有很強的燃料靈活度。它可以利用電池內(nèi)部碳氫化合物的內(nèi)部重整反應(在SOFC的極高工作溫度下進行的一系列復雜化學變化過程)制得氫氣和一氧化碳，因而可以把現(xiàn)實生活中較易獲得的天然氣、煤氣、生物質(zhì)氣體等直接作為燃料電池的原料氣，而使其原料不僅限于H2的范圍。(3)SOFC采用的是全固態(tài)的電池組件，因此可以避免由于液體電解質(zhì)帶來的諸如腐蝕、泄露、堵塞反應物傳輸通道等技術問題，同時也意味著在電池結構設計上具有更強的靈活性。(4)由于SOFC極高的工作溫度，它既有很高的輸出功率，又無需使用像其他燃料電池所要的貴重金屬催化劑，可以采用更廉價的金屬催化劑材料(Ni)。固體氧化物燃料電池由于它的高效、環(huán)保等特質(zhì)而在未來能源市場上有著很大的發(fā)展?jié)摿?。然而在目前，由于高溫運行帶來的各項挑戰(zhàn)，它的發(fā)展受到系統(tǒng)壽命和高成本的雙重掣肘，其性價比仍然遠落后于其他的發(fā)電途徑，因此目前仍然需要大力的研究和開發(fā)。首先來說，目前有很多方式可以提高固體氧化物燃料電池的性價比，嘗試修飾其中電極和電解質(zhì)的界面以尋求更佳的電池性能是可以考慮的辦法之一。無論是實驗還是模擬端，已經(jīng)有相當數(shù)量的文獻都驗證了因增大界面給電池表現(xiàn)帶來的的提升作用。然而，在那些文章中，只有很少的界面形狀被作為研究對象，且對界面的曲折程度與性能的關系缺乏明確的歸納，給系統(tǒng)地進行界面修飾帶來很多的疑問。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于，提供一種固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法，以燃料電池實際運行參數(shù)、規(guī)律為依托，建立模型并進一步研究其內(nèi)在的物理化學規(guī)律，對固體氧化物燃料電池的制造具有很大的實際意義，并有益于固體氧化物燃料電池性價比的提升。本發(fā)明的技術方案：一種固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法，包括以下步驟：S01、模型假設及幾何設定；S02、利用COMSOL軟件建立模型；S03、模型結果的分析。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，該固體氧化物燃料電池建模的目標區(qū)域是一個陽極支撐型固體氧化物燃料電池的重復單元，由LSM/YSZ復合陰極、YSZ陶瓷電解質(zhì)和Ni/YSZ金屬陶瓷陽極組成。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，所述步驟S01中，模型假設及幾何設定如下：a、所有參數(shù)值不隨時間而變化；b、單元中的溫度統(tǒng)一為800℃；c、多孔電極是三組分均勻構成的連續(xù)體；d、通入陽極的氣體組成是體積分數(shù)97％的H2+3％的O2，陰極是21％的O2+79％的N2；e、電極中電子電勢各處相等；f、標準的Butler-Volmer電化學動力過程成立。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，所述模型中研究了五種具有不同陽極電解質(zhì)幾何界面的固體氧化物燃料電池單元，分別是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一橢圓形界面和第二橢圓形界面。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，所述步驟S02中利用COMSOL軟件建立模型包括以下步驟：S021、常數(shù)和表達式的輸入，將常數(shù)和表達式輸入COMSOL軟件中，S022、建立幾何圖形后，進行求解域設置、邊界設置；S023、建立網(wǎng)絡，進行網(wǎng)格劃分，隨后由電腦對模型進行運算；S024、運算后使用COMSOL自帶的工具進行后處理，通過改變模型中參數(shù)的值在COMSOLScript進行編程對模型進行循環(huán)運算，探究單個參數(shù)對固體氧化物燃料電池性能的影響。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一橢圓形界面、所述第二橢圓形界面的電流密度均大于所述平面界面固體氧化物燃料電池的電流密度。前述的固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法中，所述第二橢圓形界面的電流密度大于所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一橢圓形界面的電流密度。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：(1)本發(fā)明以燃料電池實際運行參數(shù)、規(guī)律為依托，建立固體氧化物燃料電池二維有限元模型，并進一步研究其內(nèi)在的物理化學規(guī)律，通過數(shù)值模擬研究幾種不同的幾何界面形狀并得出具有最佳性能的界面，并分析此類性能提升的規(guī)律，探究其原因，這將對固體氧化物燃料電池的制造具有很大的實際意義，并有益于固體氧化物燃料電池性價比的提升。(2)本發(fā)明探討了具有不同界面擴大因子的五種陽極-電解質(zhì)界面對電池性能的影響，得出相對于另四種界面電池，在固定電壓下，第二橢圓形界面(即較深橢圓形界面)能獲得最大的平均電流密度；不同電池的平均電流密度-電壓曲線證實了其性能對比，另外，在電池電解質(zhì)周圍較大的離子電勢變化說明了離子歐姆損失很大，未來降低電解質(zhì)厚度是可行的改進；對第二橢圓形界面(即較深橢圓形界面)的進一步優(yōu)化表明，其在陽極/電解質(zhì)界面處越深，越密集，電池總的性能表現(xiàn)就越好，和平面界面電池比較，理想下能獲得最大32％的電流密度的提升。附圖說明圖1為本發(fā)明的第二橢圓形界面(即較深橢圓形界面)的固體氧化物燃料電池的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的矩形界面的固體氧化物燃料電池的結構示意圖；圖3為本發(fā)明的第一橢圓形界面(即較淺橢圓形界面)的固體氧化物燃料電池的結構示意圖；圖4為本發(fā)明的平面界面的固體氧化物燃料電池的結構示意圖；圖5為本發(fā)明的三角形界面的固體氧化物燃料電池的結構示意圖；圖6為本發(fā)明的電流密度和界面擴大因子的關系示意圖；圖7為本發(fā)明的陽極氫氣的摩爾濃度(E＝0.7V)示意圖；圖8為本發(fā)明的陽極水蒸氣的摩爾濃度(E＝0.7V)示意圖；圖9為本發(fā)明的五種不同界面電池的I-V曲線比較圖；圖10為本發(fā)明的沿著電池界面的離子電勢分布示意圖；圖11為本發(fā)明的沿圖10豎直y方向的離子電勢截面圖；圖12為本發(fā)明的第二橢圓形界面(即較深橢圓形界面)陽極和電解質(zhì)幾何結構示意圖。具體實施方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但并不作為對本發(fā)明限制的依據(jù)。一種固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法，包括以下步驟：S01、模型假設及幾何設定；S02、利用COMSOL軟件建立模型；S03、模型結果的分析。進一步地，該固體氧化物燃料電池建模的目標區(qū)域是一個陽極支撐型固體氧化物燃料電池的重復單元，由LSM/YSZ復合陰極、YSZ陶瓷電解質(zhì)和Ni/YSZ金屬陶瓷陽極組成。進一步地，所述步驟S01中，模型假設及幾何設定如下：a、所有參數(shù)值不隨時間而變化；b、單元中的溫度統(tǒng)一為800℃；c、多孔電極是三組分均勻構成的連續(xù)體；d、通入陽極的氣體組成是體積分數(shù)97％的H2+3％的O2，陰極是21％的O2+79％的N2；e、電極中電子電勢各處相等；f、標準的Butler-Volmer電化學動力過程成立。進一步地，所述模型中研究了五種具有不同陽極電解質(zhì)幾何界面的固體氧化物燃料電池單元，分別是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一橢圓形界面和第二橢圓形界面。進一步地，所述步驟S02中利用COMSOL軟件建立模型包括以下步驟：S021、常數(shù)和表達式的輸入，將常數(shù)和表達式輸入COMSOL軟件中，S022、建立幾何圖形后，進行求解域設置、邊界設置；S023、建立網(wǎng)絡，進行網(wǎng)格劃分，隨后由電腦對模型進行運算；S024、運算后使用COMSOL自帶的工具進行后處理，通過改變模型中參數(shù)的值在COMSOLScript進行編程對模型進行循環(huán)運算，探究單個參數(shù)對固體氧化物燃料電池性能的影響。進一步地，所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一橢圓形界面、所述第二橢圓形界面的電流密度均大于所述平面界面固體氧化物燃料電池的電流密度。進一步地，所述第二橢圓形界面的電流密度大于所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一橢圓形界面的電流密度。固體氧化物燃料電池二維有限元模型的建立方法具體如下：1.1模型假設及幾何設定由于本文目的是檢驗不同電極/電解質(zhì)幾何界面影響電池性能的結果，為了使模型更直接簡要，文中建立了幾個經(jīng)過簡化又不失合理的假設，如下所示：1)穩(wěn)態(tài)條件：系統(tǒng)已經(jīng)達到穩(wěn)定運行狀態(tài)，即所有參數(shù)值不隨時間而變化。2)單元中的溫度統(tǒng)一為800℃，即在此范圍內(nèi)是等溫的。3)多孔電極是三組分均勻構成的連續(xù)體，如陽極是Ni，YSZ和氣孔組成。4)通入陽極的氣體組成是體積分數(shù)97％的H2+3％的O2，陰極則是21％的O2+79％的N2，由此可得到氣體組成在電極表面處的邊界條件。5)電極中電子電勢是各處相等的。在此模型中，陽極電子電勢為0，而陰極電勢則是電池的運行電壓E。由于陽極Ni和陰極LSM的電子電導率比YSZ的離子電導率要大了4個數(shù)量級，也就意味著在一定電流下電極中的電子電勢減少值和離子電勢相比可以忽略不計，因此此假設成立。6)標準的Butler-Volmer電化學動力過程成立，像吸附、解離和遷移等過程被忽略。也就是說，適用于電流相對較小且上述過程可以被忽略的情形。模型中研究了五種具有不同陽極電解質(zhì)幾何界面的固體氧化物燃料電池單元，分別是平面、矩形、三角形、第一橢圓形(即較淺橢圓形)和第二橢圓形(即較深橢圓形)界面，具體如圖1-圖5所示。圖1-圖5中三角形界面的尺寸已詳細標出，以作為其他幾種幾何界面的示例。實際上對于除平面界面外的四種幾何界面，它們電解質(zhì)的底部陷入電極中的深度都是100μm。它們和平面界面情形相比有額外的電解質(zhì)部分插入陽極中，這部分多出的電解質(zhì)可能會導致更大的歐姆損失，因此，為了保證各種情形的一致性，對于平面情形來說它嵌入陰陽極之間完整的電解質(zhì)厚度有100μm，陽極厚度則相應減少到480μm。而其他幾何界面下，如在三角形界面圖中所示，在500μm基陽極以上的電解質(zhì)厚度是80μm。對于不同的幾何界面，可以定義一個幾何參數(shù)以衡量其對界面的擴大程度，它被稱為界面擴大因子λ，其公式是：其中水平方向陽極-電解質(zhì)長度就是平面界面的長度，如圖1-圖5所示即為800μm。在橢圓等復雜圖形中λ可以通過COMSOL軟件的計算來獲得。值得一提的是，圖1-圖5中單電池中均沒有考慮到連接體的作用，這是因為本模型目的是電極和電解質(zhì)的界面優(yōu)化，對于不同的幾何界面，其性能的差異與連接體沒有直接關系，因此，模型將會從不考慮連接體作用的單電池角度對固體氧化物燃料電池內(nèi)部包含電極和電解質(zhì)的模塊進行理論考察和優(yōu)化，其結果在有連接體作用下一樣是適用的?；蛘咭部梢哉J為將本文中電極兩端存在的是電導率很高、接觸電阻和電子電阻都可以忽略，對電池性能影響很小的的連接體材料。1.2模型及數(shù)學方程將具體講述如何把所有的固體氧化物燃料電池參數(shù)整合起來建立數(shù)值模型?？偨Y來說，需要考慮電荷和氣體的守恒以及陽極端氫氣被氧化和陰極端氧氣被還原的電化學過程。1.2.1離子和電子傳輸模型單純YSZ的離子導電率和電極材料的電子導電率(單位：S/m)可通過公式(1-2)、(1-3)和(1-4)獲得：它們可以證明電子電導率的值要遠大于離子電導率。由于之前的假設中，電極中電子電勢保持不變，只有離子電勢在電極中才各不相同，所以模型中實際應用的只有離子導電率。在多孔電極中，實際的YSZ電阻要比公式的更大些，因為它比純相材料的體積分數(shù)小，粒子扭曲率更大，所以，為了更準確，在其中應該使用有效電導率其中τYSZ和VYSZ分別表示YSZ粒子在電極中的扭曲率和體積分數(shù)。表1-1顯示了模擬中所用的陽極和陰極微觀參數(shù)。表1-1電極的組成和曲折因子孔隙率VYSZVNi或VLSMτ陽極0.3330.3330.3333陰極0.50.250.253在電解質(zhì)和電極中離子的傳輸可以被統(tǒng)一的公式(1-6)來描述：其中u是離子電勢，iv是陽極或陰極中的體積反應速率，B是依部分和改變的參數(shù)。具體來說，電解質(zhì)中，B等于0，陽極時B等于-1而陰極時B等于1。上述的公式實際上和歐姆定律有著同樣的物理意義(不過在歐姆定律中，電流不是如公式中所示的體積電流)，它表明電極中的離子電勢和電荷轉(zhuǎn)移的過程密切相關。1.2.2氣體傳輸模型Dustygas模型用于描述氣體在多孔電極中的傳輸。如上所述，它考慮了Knudson擴散以及氣體的粘性流動，是Stefan-Maxwell模型的擴展。對于陽極和陰極來說，統(tǒng)一的氣體傳輸方程可表示為：對于一個二元體系，上述等式可以根據(jù)每組分的守恒變形為：其中，下標1表示陽極端的H2或陰極端的O2，R是理想氣體常數(shù)，T是工作的絕對溫度，Pt是某一點總的氣體壓強，Pi是某點處氣體i的壓強。值得注意的是對于理想氣體Pi＝ciRT保持成立。Sct是電化學反應的摩爾產(chǎn)生或消耗量。在上述等式中，xi是反應物i的摩爾分數(shù),μ是混合氣體的粘滯系數(shù)，它的計算式為：其中μi是氣體i的粘滯系數(shù)，Mi是氣體的分子量。K是多孔電極的滲透性，可以使用Blake-Kozeny經(jīng)驗關系來表示：其中dp是平均氣孔直徑。在典型的燒結環(huán)境下，平均氣孔直徑等于平均顆粒的直徑。所以，在模型中，根據(jù)文獻的報導，把平均氣孔和顆粒的直徑都設定為2μm。ε是電極的孔隙度而τ是氣孔的扭曲率。和是二元氣體擴散中的有效擴散率和Knudson擴散率，它們可以被定義為：Dij和Di，K分別是二元和Knudson擴散系數(shù)，公式如下所示：其中Mi是氣體i的分子量，Vi是特殊的Fuller擴散體積參數(shù)，其值如表1-2所示。表1-2各種氣體的擴散體積1.2.3電化學模型H2的氧化和O2的還原反應分別發(fā)生在陽極和陰極中，它們的還原動力學可以通過Butler-Volmer關系進行表示。(它描述的是當電化學反應被電荷轉(zhuǎn)移過程所控制，而不是氣體傳輸控制時，即意味著電流不大，而且E-Eeq＝ηact)其中iv是電極的單位體積電流密度，ηact是該位置的活化過電勢，β是轉(zhuǎn)移系數(shù)，通常來說都是假定一個對稱的電子傳輸，所以β的取值定為0.5。n是參與電化學反應的電子數(shù)目，itpb是單位TPB長度的交換電流密度，ltpb是電極中的TPB密度。因此對于陽極和陰極，Butler-Volmer方程是：經(jīng)驗公式可以用來計算陽極和陰極的itpb：很多文章嘗試過評估ltpb的值，在使用聚焦離子束掃描電子顯微鏡(FIB-SEM)技術進行對多孔電極的三維直接觀測以后，ltpb和VYSZ的值能比較合理的獲得。本文中在參考幾篇文獻之后ltpb取為1.8×1012m/m3。如我們可以從Butler-Volmer方程中看出，為了獲得具體位置電化學反應率，需要知道該位置的的活化過電勢。陽極和陰極每一位置的活化過電勢分別被定義為其中是電子電勢，是電極不同位置的離子電勢。和分別表示陽極和陰極的平衡電勢。從文獻中來看，主要有三種方法來建立電極平衡電勢和電極的電子電勢邊界條件的模型，分別如下1，2和3所示：邊界條件：φe,a＝0(1-33)其中E表示運行電壓，ENernst是能斯特電壓，在可逆電池中，其等于開路電壓EOCV，下標a和c分別表示陽極和陰極，tpb表示電極三相界面處。邊界條件：φe,a＝0(1-37)φe,c＝E(1-38)邊界條件：φe,a＝ENernst(1-41)φe,c＝E(1-42)在一系列的計算以后，可以證明上述三種定義實質(zhì)上是等效的。因為它們在相應計算中并沒有改變活化過電勢的值。在本文的模型中采用的是第二種定義，把所有設定到的值帶入，可得到活化過電勢能寫成：由于極化效應，電池的運行電壓總是小于其可逆電壓，即：E＝EOCV-ηact-ηohm-ηcon(1-45)而濃差極化可表示為：其中ci，tpb電極中氣體的摩爾濃度，ci，b是氣體在進氣口的摩爾濃度。模型中，電動勢可以由標準能斯特方式來表示：其中是在標準壓強下與溫度有關的開路電壓。沿單元的電流密度可以通過如下公式獲得：其中S是陽極的面積，lcell是重復單元的長度，即為800μm。綜上，電池的極化曲線可以通過在不同運行電壓下計算相應的電流密度得到。1.3工況及邊界條件表1-3展示了模型中應用到的工況條件。值得注意的是，陽極厚度480μm只適用于平面界面的情形。表1-3模型中的計算條件參數(shù)值單位陽極厚度480μm電解質(zhì)厚度100μm陰極厚度50μm溫度(T)1073K壓強(P)101325Pa工作電壓(E)0.7V單元長度(lcell)800μm顆粒直徑(dp)2μmTPB密度(ltpb)1.8×1012m/m3表1-4則顯示了模型中的邊界條件。由于在電極和電解質(zhì)界面處，并沒有固定的氣體濃度值等的邊界條件，因此此處只是電極表面的邊界條件。表中的下標in表示電極和氣道表面的氣體濃度。值得注意的一點是，對于離子電勢，除了在一些邊界上它的梯度等于零以外，實際上并沒有明顯的約束。而最后我們卻可以得到它的具體數(shù)值，這是因為沿著固體氧化物燃料電池電池其電流在在同一電路中是恒定的，這就可以對離子電勢的梯度施加有效的約束。此外，由于像氣體傳輸這樣模型中的每一方面直接或間接都和離子電勢分布有關系，所以，考慮所有這些約束以后，經(jīng)過準確的軟件模擬計算以后離子電勢分布能夠成功獲得。表1-4模型中的邊界條件以上討論的所有等式和約束都輸入COMSOLMultiphysics(版本3.5.0.494)中，總共有四種模式串聯(lián)起整個系統(tǒng)。1、離子電勢場，2、電子電勢場，3、陽極中的氣體分布，4、陰極中的氣體分布。每一個模式中都包含上面介紹過的關于自變量的偏微分方程組，表征了固體氧化物燃料電池中滿足的物理場規(guī)律。本模型使用COMSOL仿真的基本過程，在物理分析中需要的的常數(shù)和表達式(包括全局表達式，求解域表達式等)輸入軟件以后，可以進行幾何作圖，然后相繼進行求解域設置、邊界設置，以便建立多物理場耦合模型。之后進行網(wǎng)格劃分，值得注意的是，劃分網(wǎng)格的時候，靠近電極和電解質(zhì)界面的區(qū)域其網(wǎng)格應該設置的更密集一些，因為該處會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應，自變量的值可能會發(fā)生很大的變化。隨后便可以由電腦對模型進行運算，模型中自由度的數(shù)目是17874，相對公差為1e-6，可以作為模型計算中收斂判斷的依據(jù)。運算以后可以使用COMSOL自帶的工具進行后處理，包括等位線、表面圖、剖面圖等數(shù)據(jù)圖的獲得和對變量積分等后處理運算。此后，可以改變模型中參數(shù)(如幾何參數(shù)，固體氧化物燃料電池工況參數(shù)等)的值在COMSOLScript進行編程對模型進行循環(huán)運算，可以更深入地探究單個參數(shù)對固體氧化物燃料電池性能的影響。1.4結果及分析1.4.1不同幾何界面的對比表1-5列出了在恒定為0.7V的電池運行電壓下不同幾何界面電池的電流密度和它們各自的界面擴大因子。從結果可以發(fā)現(xiàn)，無論是哪一種幾何界面，他們比平面界面固體氧化物燃料電池都有更大的電流密度。此現(xiàn)象表明擴大界面接觸面積確實能提高電池的性能。此外，還能發(fā)現(xiàn)深度橢圓形界面在所有界面單元中有最大的電流密度：2114A/m2。換句話說，跟平面電池相比，由于其界面的擴大，其電流密度提高了10.86％。因此，這一形狀將是后續(xù)進一步優(yōu)化的核心。此外，仍然是在表1-5中，當我們比較界面擴大因子和電流密度的時候，可以發(fā)現(xiàn)它們之間具有的正相關關系。為了讓其比較更明晰，在圖6中具體顯示了其相互關系。整體上，陽極和電解質(zhì)的界面越大，固定電壓下此電池的電流密度也越大?？紤]到他們的值要大于平面型電池的電流密度值，因此可以推斷出，更大的界面面積可以增大電極和電解質(zhì)界面附近的三相界面，因而導致更少的活化極化損失和更佳的電池性能。然而，也值得注意的是，較深的橢圓情形存在一定的例外，雖然其界面擴大因子不是最大但是它的電流密度卻是最大的。這種狀況可能是由于此種形狀界面和矩形界面比起來有更大的有效界面，因此能在界面周圍提供更大的三相界面區(qū)域。表1-5五種不同界面的模擬結果1.4.2電池特性模型在COMSOL中完成以后，電池的各項參數(shù)和性能都能相應獲得。在圖7中，展示了較深橢圓陽極中氫氣的分布情況。可以看到在陽極和電解質(zhì)界面端和陽極表面相比氫氣的量明顯減少，由氣道電極表面處的11.015mol/m3減少到10.907mol/m3，這是由于在陽極中發(fā)生的氫氧化反應，使得氫氣的量發(fā)生消耗并逐漸減小，并產(chǎn)生相應的濃差極化。水蒸氣的濃度分布則表現(xiàn)在圖8中，與氫氣相反，作為氫氧化反應的產(chǎn)物，其分壓隨著越接近陽極電解質(zhì)界面而越加增大，其峰值可以達到0.541mol/m3。同樣的，陰極端的氣體分布也和陽極端相似，在接近陰極電解質(zhì)界面處氧氣不斷消耗而氮氣比重則不斷上升。圖9顯示了模擬所得到不同界面電池的電流密度-電壓曲線圖。該圖是通過改變電池運行電壓(0.1、0.2、0.4、0.6、0.7、0.9和1.1V)，獲得其在每一電壓下對應的電流密度而得來的。由圖9中可以看出，與之前在0.7V電壓下運行的電池表現(xiàn)一致，從平面，較淺橢圓形，三角形界面再到矩形，較深橢圓形界面，其I-V曲線逐漸上升。即在任意工作電壓下，其電流密度都是逐漸上升的關系。在所有的電壓下，較深橢圓形界面的電池都有著更大的電流密度，也和上文中它具有最佳性能的結論是吻合的。因此，該結論進一步證明了隨著界面形狀的改變，固體氧化物燃料電池單元的相應電化學性能也會發(fā)生相應的變化。圖10顯示了沿著電池截面的離子電勢分布。離子電勢在電解質(zhì)區(qū)域有明顯的減少，可見由于較大的電解質(zhì)層厚度，沿著電解質(zhì)區(qū)域的歐姆損失是比較大的。圖11表示的是沿著電池厚度方向離子電勢的逐步變化情況，它實際上是在圖10的基礎上，固定水平方向x的值，由不同y值下離子電勢的值而得到。可以發(fā)現(xiàn)在大部分的陽極區(qū)域，離子電勢值是很穩(wěn)定的，因為此區(qū)域電荷主要是以電子的形式存在。然而在靠近電解質(zhì)界面的陽極區(qū)域，由于發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(即電子和離子作為其中一部分的電化學反應)，它的值會顯著減少。在電解質(zhì)層，離子電勢在歐姆定律的作用下線性地減小。值得注意的是，如圖11可見，在靠近界面的陽極區(qū)域里離子電勢的梯度要大于電解質(zhì)中相應的梯度。這是由于在氣孔等的作用下，這些位置的有效離子電阻率要大于純YSZ電解質(zhì)層，導致在靠近電解質(zhì)的陽極處離子電勢的斜率要更大些，之后隨著離子數(shù)目的消耗，此斜率逐漸減小并最后到零。對于陰極端，同樣也可以得到類似的結論。1.4.3橢圓界面的幾何優(yōu)化由上得出，較深橢圓形的結構在固定電壓下?lián)碛凶畲箅娏髅芏取Ｓ捎谠谀Ｐ椭邢拗屏税姵仄蔚拈L度，界面深度等很多的尺寸，因此，若再對此些參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，可以得到理論上具有最佳電化學性能的界面構造。不過與之前的模型參數(shù)不同的是，此處將采用一種更簡單的模型。由于周期性條件的存在，研究對象可以集中在電池的一塊很小的重復性單元上，也就是此單元只需含有一個如矩形、橢圓形這樣的不規(guī)則界面。為了達到有代表性地描述一個橢圓形界面的目的，如圖12所示，設定了三個表征橢圓尺寸的幾何參數(shù)，此三個參數(shù)分別是Distance，Length和height，其中Distance和Length能用來衡量橢圓形界面在水平方向占的比重，此重復單元的長度即為2(Distance+Length)，Height用于衡量橢圓界面的深度。由于模擬中陰極條件保持不變，因此在該示意圖中省略了陰極部分。表1-6用于循環(huán)運算的較深橢圓界面參數(shù)值參數(shù)值(μm)Distance10，50Length10，50，100Height50，100，200首先，對于此三個幾何變量設置了三組不同的值，如表1-6中所示。其取值是考慮到1.4.1中得出較深橢圓形具有更好的性能，因此把Height的參數(shù)設置得較高。另外，理論上說橢圓形界面越密集電池的電化學性能也會越好，因此參數(shù)Distance和Length的循環(huán)值都比之前800μm的單元長度明顯小。假定固體氧化物燃料電池運行電壓是0.7V，通過在COMSOLScript中進行循環(huán)運算，可以獲得不同幾何參數(shù)組合下各自的電流密度，以得到具有最佳性能的橢圓形界面結構。其不同組合下獲得的電流密度值如表1-7所示，可以發(fā)現(xiàn)當Distance，Length和Height的值分別達到10μm，10μm和200μm的時候電流密度獲得最大值。換句話來說，當此橢圓形界面的密度理想化地高的情況下，可以得到最大約為2500A/m2的電流密度。按照之前的模擬結構，作為參考情形的平面型界面其電流密度為1885A/m2，也就是說此種情況下電流密度可以獲得32％的提升。此結論和之前電化學性能與界面擴大因子具有正相關系的結論吻合，因為隨著接觸面越密集，電解質(zhì)越深入電極中，相應能夠獲得更大的界面擴大因子，也就能夠獲得更大的電流密度。不過，考慮到實際制造中界面處理的難度和成本，要獲得該種足夠深的凹槽界面從技術上來說也是非常困難的。不過，上面的結論仍然能夠給我們提供有價值的信息，即制造含有較密集并能增大電極電解質(zhì)接觸面的固體氧化物燃料電池電池能有一定程度上提高其電化學性能。表1-7不同橢圓幾何參數(shù)下的Idens1.5小結對有較大電解質(zhì)厚度的陽極支撐型固體氧化物燃料電池重復單元建立了二維有限元模型，詳細敘述了多物理場各自的平衡等式和建模的過程，探討了具有不同界面擴大因子的五種陽極-電解質(zhì)界面對電池性能的影響，得到了以下結論：1)相對于另四種界面電池，在固定電壓下，較深橢圓形的界面能獲得最大的平均電流密度，如在0.7V運行電壓下，其平均電流密度比平面型界面電池高出10.86％。2)本文中定義的界面擴大因子和電池的性能大體上具有正相關的關系。3)不同電池的平均電流密度-電壓曲線證實了其性能對比，另外，在電池電解質(zhì)周圍較大的離子電勢變化說明了離子歐姆損失很大，未來降低電解質(zhì)厚度是可行的改進。4)對較深橢圓形界面的進一步優(yōu)化表明，其在陽極/電解質(zhì)界面處越深，越密集，電池總的性能表現(xiàn)就越好，和平面界面電池比較，理想下能獲得最大32％的電流密度的提升。5)制造含有較密集并能增大電極電解質(zhì)接觸面的固體氧化物燃料電池電池能有一定程度上提高其電化學性能。以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權利范圍，應當指出，對于本
技術領域：
的專業(yè)技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和變動，這些改進和變動也視為本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3