[發(fā)明專利]固體氧化物燃料電池電極氣體傳輸曲率因子預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410419212.3
• 申請(qǐng)日: 2014-08-22
• 公開（公告）號(hào): CN104156539B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孔為;張強(qiáng);高祥;李淵;陳代芬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體涉及一種固體氧化物燃料電池電極氣體傳輸曲率因子預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

燃料電池作為繼水電、火電、核電之后的第四代新型發(fā)電技術(shù)，得到了世界各國(guó)的重視。作為第三代燃料電池的固體氧化物燃料電池被認(rèn)為是最具有市場(chǎng)前景的一種燃料電池。自“八五”、“九五”、“十五”、“十一五”計(jì)劃以來，我國(guó)連續(xù)資助固體氧化物燃料電池技術(shù)研發(fā)。國(guó)家高技術(shù)研究計(jì)劃(863計(jì)劃)和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)也對(duì)固體氧化物燃料電池資助多年。雖然近年來固體氧化物燃料電池技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，然而固體氧化物燃料電池電極孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性、復(fù)雜性、無規(guī)則性對(duì)其氣體傳輸曲率因子的研究提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因而迫切需要一種研究氣體傳輸曲率因子的簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、高效的新方法。

固體氧化物燃料電池電極為多孔結(jié)構(gòu)，在電池工作時(shí)，燃料氣體從電極表面沿著孔隙結(jié)構(gòu)傳輸?shù)诫娊赓|(zhì)附件的三相線區(qū)域參加反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物則需沿著孔隙結(jié)構(gòu)傳輸?shù)诫姌O表面然后被排出。由于電極孔隙結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性、復(fù)雜性、無規(guī)則性導(dǎo)致氣體傳輸路徑并非直線，而是非常曲折。為了表征氣體路徑的曲折程度，定義了參數(shù)—曲率(τ)。曲率為氣體傳輸實(shí)際路徑長(zhǎng)度與直線距離的比例，曲率因子(τ²)為曲率的平方。曲率越大氣體的實(shí)際路徑越長(zhǎng)，電池的濃差極化越大。因此減小電極曲率因子對(duì)電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化，電池性能的提高非常必要。

目前，獲取電極曲率因子的方法主要有實(shí)驗(yàn)法和球形顆粒自由堆積法。實(shí)驗(yàn)法是利用諸如掃描電子顯微鏡(SEM)、同步X射線納米斷層攝像、聚離子束斷層掃描(FIB)等技術(shù)對(duì)電極樣本進(jìn)行二維斷層掃描，然后再將二維斷層圖片合成為立體的電極結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)法雖然能夠真實(shí)而細(xì)致的重構(gòu)出電極的孔隙結(jié)構(gòu)，但存在著成本昂貴、依賴大量高端設(shè)備、結(jié)構(gòu)質(zhì)量嚴(yán)重依賴于圖像的分辨率和數(shù)據(jù)的后處理分析、費(fèi)時(shí)(需要掃描成百上千張圖片，圖片的后處理也很復(fù)雜)等缺點(diǎn)。為克服上述實(shí)驗(yàn)法的弊病，提出利用球形顆粒自由堆積法構(gòu)建電極結(jié)構(gòu)以研究其性質(zhì)，球形顆粒自由堆積法是一次將一個(gè)球形顆粒從長(zhǎng)方體容器上方的隨機(jī)位置下落，當(dāng)此顆粒與容器底接觸或者與其它三個(gè)或三個(gè)以上顆粒接觸時(shí)，顆粒達(dá)到平衡位置，顆粒的位置固定，然后再自由下落另一個(gè)球形顆粒，大量的球形顆粒堆積成電極模型。這種方法雖然比較簡(jiǎn)單、快捷，但是存在以下三大問題：(1)電極模型的最大孔隙率為0.45，因此無法計(jì)算孔隙率大于0.45的情況；(2)由于部分球形顆粒距離比較近，但是又沒有接觸，導(dǎo)致球形顆粒構(gòu)建的電極模型網(wǎng)格劃分難度比較大，甚至無法完成網(wǎng)格劃分；(3)利用球形顆粒構(gòu)建的電極模型計(jì)算的曲率因子與實(shí)驗(yàn)值相比偏差比較大。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種固體氧化物燃料電池電極氣體傳輸曲率因子預(yù)測(cè)方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的固體氧化物燃料電池電極氣體傳輸曲率因子預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：

1)構(gòu)建電極的等效體積單元

利用小立方體堆積成電極的等效體積單元，小立方體的邊長(zhǎng)為電極固體和孔隙的特征長(zhǎng)度；

固體氧化物燃料電池電極由固體部分和孔隙部分組成，而且固體部分和孔隙部分的分布具有隨機(jī)性。因而可以把電極等效為由固體小立方體和孔隙小立方體隨機(jī)堆積而成。由于電極尺寸遠(yuǎn)大于孔隙或者固體部分的微觀尺寸，所以只需要利用小立方體堆積成電極的等效體積單元。不同于球形顆粒構(gòu)建電極模型，利用小立方體構(gòu)建電極模型，不存在特別狹窄的區(qū)域，更便于劃分網(wǎng)格。

2)隨機(jī)指定小立方體的物性

根據(jù)電極中固體部分和孔隙部分分布的隨機(jī)性，按照孔隙率ε的要求，將部分小立方體隨機(jī)的指定為孔隙，剩下的指定為固體，完成多孔電極的構(gòu)建；

3)基于有限元方法，對(duì)等效體積單元進(jìn)行加載方程、網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)置，計(jì)算得出有效擴(kuò)散系數(shù)D^eff

利用有限元方法對(duì)氣體傳輸微分方程進(jìn)行求解，然后把氣體流量J對(duì)等效體積單元的上表面進(jìn)行積分獲得氣體總流量J_total；基于有效介質(zhì)理論，進(jìn)一步求出多孔電極的有效擴(kuò)散系數(shù)D^eff；

4)結(jié)合毛細(xì)管模型和有效擴(kuò)散系數(shù)D^eff，得到曲率率因子τ²。

所述步驟2)具體為運(yùn)用隨機(jī)賦物性的方法在小立方體密集堆積的等效體積單元中，共計(jì)有N個(gè)小立方體，孔隙率為ε時(shí)，就隨機(jī)地將[ε*N]個(gè)小立方體賦為孔隙的物性，將剩下的[(1-ε)*N]個(gè)賦為固體的物性。