本發(fā)明涉及燃料電池多種復合電極的性質(zhì)分析計算領域，具體是一種固體氧化物燃料電池復合電極性質(zhì)的計算方法。

背景技術：

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell：SOFC)作為一種能量轉(zhuǎn)化設備，以其高效、清潔和燃料形式多樣等突出優(yōu)點備受人們關注。一個典型的SOFC主要由陰極、電解質(zhì)、陽極及雙極板組成。隨著復合電極功能、成分和制作工藝的不斷發(fā)展，簡單均相假定的數(shù)值模擬已經(jīng)不能完全滿足SOFC復合材料分析和結構設計發(fā)展的需要。因為對于不同的復合電極制備方法和制備條件而言，其直接結果是導致了不同的電極微結構形貌，并由此導致不同的電極性能。因此，深入理解具體無規(guī)則結構形貌對電極性能的作用機制，是得到優(yōu)化電極設計的關鍵因素。近年來，聚焦離子束掃描顯微鏡(Focused Ion-Beam Scanning Electron Microscopy)以及x射線斷層攝影技術(X-Ray Tomography)被用于得到高分辨率的復合電極截面圖。通過對截面圖中不同材料相灰度的判斷，從而實現(xiàn)對微觀電極結構的三維重構。通過該方法，我們可較細致準確的得到復合電極內(nèi)部的形貌特征。但由于高倍放大的原因，該方法只能用于重構出復合電極很小一部分體積內(nèi)的三維結構。2010年Kee小組基于球形顆粒隨機分布的方法構建了LSM/YSZ復合電極微觀結構形貌，并嘗試采用4面體網(wǎng)格對YSZ顆粒形成的無規(guī)則結構形貌直接進行分網(wǎng)。進而在該區(qū)域加載電荷守恒方程計算復合電極的有效離子電導率。類似的，Mitra小組也針對由聚焦離子束掃描顯微鏡得到的復合電極微觀結構，通過直接分網(wǎng)的方式求解復合電極的有效離子電導率。該方法為人們進一步開展SOFC電極的無規(guī)則結構分析做了很好的嘗試。然而有兩點需要指出的是：(a)由于不規(guī)則結構的特點，復雜的網(wǎng)格結構導致了大的計算量和數(shù)值不穩(wěn)定性，因此該方法只能針對很小一個區(qū)域進行計算，且很難被進一步耦合更多的方程來對SOFC的微觀電化學反應機理做細致的分析；(b)該方法只能用于計算有限的結構和性質(zhì)，不適用于對由混合電導材料(如陽極的LSCM或陰極的LSCF)和純導離子材料(如YSZ)混合而成的電極結構的性能預測。以及由三種以上材料混合而成的復合電極結構的性質(zhì)預測。因為雖然LSCF和YSZ都具有離子傳導能力，但兩者具有不同的本征電導率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明正是鑒于a)細致考慮無規(guī)則微觀結構形貌對于發(fā)展復合電極的重要性與b)現(xiàn)有SOFC復合電極仿真計算技術的缺陷兩個因素，提出一種固體氧化物燃料電池復合電極性質(zhì)的計算方法。

為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的解決技術方案是：一種固體氧化物燃料電池復合電極性質(zhì)的計算方法，包括下述步驟：

(1)采用球形顆粒隨機分布的方法或電鏡掃描圖重構出LSM/YSZ復合電極的多孔無規(guī)則微觀結構，并記錄每一個顆粒的坐標、半徑和屬性。

(2)以最簡單的LSM/YSZ兩相復合電極結構為例，根據(jù)步驟(1)重構的LSM/YSZ復合電極的多孔無規(guī)則微觀結構的長、寬、高尺寸，構建一個規(guī)則的矩陣網(wǎng)格，并通過對照每一個網(wǎng)格點與重構得到的電極結構的對映關系，確定該網(wǎng)格點的材料相屬性(x，y，z，電子材料顆粒，離子材料顆粒，氣相)。

(3)將步驟(2)中網(wǎng)格點的材料相屬性(x，y，z，電子材料顆粒，離子材料顆粒，氣相)信息作為輸入文件導入有限元軟件COMSOL Multiphysics，加載離子電荷守恒方程，并在結構兩端設置電勢邊界V1、V2，通過數(shù)值求解的方式得到通過橫截面的電流I。

(4)計算該材料的有效離子電導率為其中，A為該復合電極橫截面積，L為復合電極幾何厚度。

本發(fā)明有益效果在于：本發(fā)明首先采用球形顆粒隨機分布的方法重構復合電極的無規(guī)則微觀形貌，并探索采用帶不同材料相特征信息的規(guī)整網(wǎng)格表征復合電極無規(guī)則結構形貌，并基于該規(guī)整網(wǎng)格預測復合電極相關性質(zhì)的方法，為進一步研究無規(guī)則結構形貌SOFC復合電極奠定了基礎。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法一種實施例重構的LSM/YSZ復合電極微觀結構圖。

圖2為本發(fā)明方法一種實施例重構的LSM/YSZ復合電極微觀結構矩陣網(wǎng)格圖。

圖3為本發(fā)明方法一種實施例重構的LSM/YSZ復合電極微觀結構矩陣網(wǎng)格通過其橫截面的電流的求解示意圖。

具體實施方式

以下將結合附圖1-3以典型的LSM/YSZ二元SOFC復合電極為例對本發(fā)明做進一步的說明，但不應以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

為了方便說明并且理解本發(fā)明的技術方案，以下說明所使用的方位詞均以附圖所展示的方位為準。

本發(fā)明一種固體氧化物燃料電池復合電極性質(zhì)的計算方法(簡稱方法)，其特征在于，包括下述步驟：

(1)采用球形顆粒隨機分布的方法重構出LSM/YSZ復合電極的多孔無規(guī)則微觀結構(參見圖1)，并記錄每一個顆粒的坐標、半徑和屬性；所述顆粒的屬性為導電子顆?；?qū)щx子顆粒。

(2)根據(jù)步驟(1)重構的LSM/YSZ復合電極的多孔無規(guī)則微觀結構的長、寬、高尺寸，構建一個規(guī)則的矩陣網(wǎng)格(參見圖2)，并通過對照每一個網(wǎng)格點與重構得到的電極結構的對映關系，確定該網(wǎng)格點的材料相屬性(x，y，z，電子材料顆粒，離子材料顆粒，氣孔)。例如，如果網(wǎng)格點坐標處于導離子顆粒的半徑范圍內(nèi)則可表示為(x，y，z，0，0)。其中為YSZ材料的本征電導率。通過這種方式，我們可以將一個不規(guī)則結構簡化為一個帶不同材料屬性信息的規(guī)整網(wǎng)格輸入文件。

(3)將步驟(2)中網(wǎng)格點的材料相屬性(x，y，z，電子材料顆粒，離子材料顆粒，氣孔)信息作為輸入文件導入有限元軟件Comsol Multiphysics，加載離子電荷守恒方程，并在結構兩端設置電勢邊界V1、V2，通過數(shù)值求解的方式得到通過橫截面的電流I(參見圖3)。

(4)計算該材料的有效離子電導率為其中，A為該復合電極幾何橫截面積，L為復合電極幾何厚度。

進一步可以計算LSM/YSZ復合電極的其它一些諸如電子電導率、多孔介質(zhì)滲透率、氣流擴散系數(shù)、熱導系數(shù)及孔徑分布等性質(zhì)參數(shù)。

本發(fā)明方法，首先采用球形顆粒隨機分布的方法重構多組分SOFC復合電極的無規(guī)則微觀結構形貌。然后直接針對整個重構的復合電極結構構建規(guī)整網(wǎng)格，并通過對比網(wǎng)格點將相應的材料性質(zhì)賦予每個網(wǎng)格格點。既采用帶無規(guī)則結構特征信息的規(guī)整網(wǎng)格研究不同微結構形貌對復合電極性質(zhì)的影響。從而避免直接針對無規(guī)則結構進行分網(wǎng)和數(shù)值求解帶來的一系列問題。最后將這些格點信息導入有限元分析軟件數(shù)值計算復合電極的有效電子電導率、有效離子電導率、滲透率、有效三相線長度、氣孔半徑分布等相關電極性質(zhì)，從而達到使用規(guī)則網(wǎng)格對無規(guī)則結構進行準確數(shù)值求解的目的。本發(fā)明方法為進一步研究無規(guī)則結構形貌SOFC復合電極奠定了基礎。根據(jù)上述說明書的揭示和教導，本發(fā)明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術。