【管道SOFC电池堆的理论基础综述3800字】

管道SOFC电池堆的理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u14141管道SOFC电池堆的理论基础综述 1298371.1引言 1125971.3极化理论 333651.3.1活性极化 4134551.3.2欧姆极化 5311861.3.3浓差极化 5286561.5.1质量守恒方程 647561.5.2动量守恒方程 7224311.5.3组分守恒方程 735331.5.4能量守恒方程 71.1引言固体氧化物燃料电池在高温条件下是一个极其复杂的过程，此实验中趋于理想化实验，其中涉及到电化学、流体稳态在管道中流动以及温度沿管道的扩散、热量传递等诸多物理工作过程，实验过程比较复杂，故用COMSOL软件进行模拟。其中流体流动的状态难以控制，近似为稳态流动，得到的电池性能指标如压力分布、温度分布以及速度分布规律也难以测量，引入数值模拟仿真可以有效地控制变量，分析实验结果，为实际的科学提供有效指导。本章将讨论高温固体氧化物燃料电池内部工作的理论基础，分为高温燃料电池的理论电动势、流体流动以及介质输送的控制方程，从而为后续的数值模拟提供部分指导。1.2理论电动势1.1.1高温燃料电池的理论电动势固体氧化物燃料电池装置主要由阴极、电解质、阳极和外部电路四部分组成。依据电解质输送的离子不同；可分为氧离子导体和质子导体燃料电池。固体氧化物燃料电池的阴极通入氧化剂空气，阳极通入燃料丙烷。电解质在阴极和阳极之间，其主要作用为：传送导电离子氧离子和分离燃料以及空气，阻止反应物和电子在电池内直接传输。外部电路是传送电子的通路和电池的应用部分。空气或者氧气流沿阴极注入电池后，氧分子在阴极和电解质间，从阴极取得20个电子而分裂成10个氧离子渗透、迁移至电解质和阳极之间，与丙烷发生反应释放H20、CO,和热。电子通过阳极、外电路回到阴极产生电能。以C3在阴极5O2+20e-→10O2-(式1.1)在阳极C3H8+20e−→3C2+ +8H+总反应C3H8+5O2→3CO2+4H2O根据Nernst方程，电池开路电压为[15]：∆u=RTnFlnK式中R——气体常数；J/mol∗KT——绝对温度;KF——法拉第常数；C/molK——总反应的平衡常数；K-各种气体的分压;Pa图1.2燃料电池的工作原理图（1.4）公式中考虑了反应物与生成物浓度的变化，在热力学定律中，电化学中反应中电子移动过程中电子所做的功等于反应前后吉布斯自由能的差值：−∆uT,P=μ-式中，μαE=−上述中简单的考虑了吉布斯自由能的变化所引起的可逆电压的变化，但是随着温度的逐渐的升高，当温度大于或者高于700度时，需要对可逆电压公式做出改正，以及加上温度的影响，更正后的公式为：E式中∆STT—操作温度；Tref1.3极化理论在固体氧化物燃料电池中，电流密度与阴阳极的反应物的反应速率有紧密关系，按照数学函数关系式，是呈现正比关系。在热力学处于一种化学反应平衡状态下时，SOFC阴极与阳极的反应速率相等，所以此时电池内部的净反应速率为0，在电池内部没有外电流的产生，化学反应达到一种动态平衡。这种状态下的电池阴阳极的内部电势差为平衡电位φe1.3.1活性极化活化极化的原理其实就是为了能够得到更多的活化能和输出电流，必须在反应中牺牲很大一部分活化能和输出的电压，此时活化极化才能通过提供的输出电流给化学反应物更多的活化能来提高反应能力越过其化学反应的能垒，保证了化学反应的正常顺利进行。当电流密度较低时，活化反应的损失较大,导致开路电压的下降较快。Butler-Volmer方程是将电化学反应与电极反应动力学联系起来的纽带，其公式为：i=式中i作为电流密度；A/m2i0为交换电流密度;A/α与β为两个电荷转移系数,α与β的和为1，对于SOFC，通常取α与β的取值通常为0.5，n为电子转移的数目;ηactF为法拉第常数;C/molR为气体的状态常数;J/(mol∙k)上述方程适用于普遍的电化学反应过程，但是对与个别比较特殊的电化学反应过程，方程需要做出修正。在本文中，电流密度除了受到活化过电势的影响外，还受到组分浓度的影响，因此方程需要更改。1.3.2欧姆极化欧姆极化是燃料电池中与阴阳极材料有关的一个物理现象，在电化学反应中，电解质与阴阳极进行电子传输，而在电解质中会有电阻，存在一定大小的欧姆损失，依据物理学欧姆定律可知:η=中，I为通过的电流;AR为电子电阻、离子电阻以及接触界面上的电阻;Ω1.3.3浓差极化浓差极化现象的发生通常存在于电极的缓慢扩散过程中，当电极的扩散速率较大，而反应物的消耗速率和产物的生成速率明显不足时，浓差极化现象便会随即产生，此时反应速率将受到电极扩散速率的限制。发生浓差极化时，电池的过电位计算公式为：η浓差极化与多孔电极的孔隙率、曲折度以及孔径尺寸等因素有关，因此，本文需要对多孔电极的结构参数进行研究，尽量减少浓差极化对电池性能的影响。1.4流体流动微管的固体氧化物整燃料和阴极空气暴露在较高的工作温度下，因此受到对流性热传导的影响。辐射在这个CFD模型中，辐射项被忽略了，因此预测的温度是最高的。预测的温度是尽可能高的。微管SOI堆内的热传导微管SOFC堆内的热传递由能量方程描述为的能量方程来描述。丙烷和阴极空气的密度丙烷和阴极空气的密度从理想气体状态方程中获得。状态方程获得。材料特性是通过实施多项式近似来使温度通过实施多项式近似，使材料特性与温度有关。由于温度很高，材料特性与温度有关。丙烷的动态粘性、热容量丙烷和阴极空气的动态粘度、恒定压力下的热容和热导率和阴极空气的动态粘度、恒定压力下的热容量和热导率是通过多项式方程计算的。ρ∙ρρρρ1.5介质输送方程1.5.1质量守恒方程在固体氧化物燃料电池中，气体介质物质输运在气道中和在多孔电极中呈现的是不同形式的方程形式。气道中气体流动采用标准的质量守恒方程，但是在多孔电极中，由于阴阳极孔隙率的影响，需要在质量守恒方程中加入孔隙的影响因素。微管气体管道中，对于可压缩气体来说，质量守恒方程具体形式为：∂ρ在多孔电极中，气体流动需要遵循Brinkman方程，具体表现形式为：∂其中，εpQbr1.5.2动量守恒方程 动量守恒与质量守恒方程有一定的相似之处，但动量守恒方程在气道和电极中有着不同的表现形式。在气道中，对于不可压缩流体，动量守恒方程表示为：∂1.5.3组分守恒方程燃料电池中气体介质在微管中的流动以对流扩散为主要流动形式，在气体流经微管通道中，一般的气体介质流动与在微管中流动相符合，发生形式主要为对流，在固体氧化物燃料电池的多孔电极中孔隙的阻碍，气体介质在微管中的流速相比于气道相比要小很多，在微管中主要以扩散为主。与此同时更应注意的是由于在燃料电池中电化学反应主要分布在阴阳极与电解质的交界处，故在所难免地会导致反应物急剧减少，因为电化学反应的速率极快。阴阳极的离子会产生一个浓度差，因浓度差不同会使气体向阴阳极的电极中输送。故组分守恒方程如下述所为：∇式中，Dk,eff为组分k的有效扩散系数;mCk为组分k的浓度;mg/mQK1.5.4能量守恒方程对于SOFC燃料电池来说，热源包括在在三个主要部分，分别是欧姆活化现象附加的热量以及活化极化现象附加的热量和主要发生电化学反应带来的能量。为了更加了解实验以及实验结果的更加准确性，将复杂的模型进行简化，本节中热源主要分布在阳极燃料测与阴极氧化侧电解