一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法技术

本发明专利技术公开了一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，包括以下步骤：S01、模型假设；S02、模型的几何对象设定；S03、通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，利用COMSOL软件建立二维数值模型；S04、比较不同高度的矩形阳极/电解质界面电池和平面界面电池的性能和内部物理场的分布，分析结果并得出仿真模拟结论。本发明专利技术以电解质厚度都为10μm的阳极支撑型固体氧化物燃料电池为研究对象，通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，使用COMSOL建立模型，得出gap厚度为100μm的矩形界面单电池电流电压曲线明显优于平面界面电池，其最大功率密度提升可以达到48％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，即SOFC)是在高温环境下运行的完全固态结构的燃料电池，也是目前公认的五种燃料电池之一。与目前其他的能量产生装置比起来，它具有以下几个显著的优势：(1)SOFC工作温度最高可以达到1000℃，系统本身就拥有很高的能量转换效率。如果再使用热回收技术进行热电联产发电，在此种系统中，它的总效率可以达到70％-80％，是所有发电技术中最高的。(2)SOFC具有很强的燃料灵活度。它可以利用电池内部碳氢化合物的内部重整反应(在SOFC的极高工作温度下进行的一系列复杂化学变化过程)制得氢气和一氧化碳，因而可以把现实生活中较易获得的天然气、煤气、生物质气体等直接作为燃料电池的原料气，而使其原料不仅限于H2的范围。(3)SOFC采用的是全固态的电池组件，因此可以避免由于液体电解质带来的诸如腐蚀、泄露、堵塞反应物传输通道等技术问题，同时也意味着在电池结构设计上具有更强的灵活性。(4)由于SOFC极高的工作温度，它既有很高的输出功率，又无需使用像其他燃料电池所要的贵重金属催化剂，可以采用更廉价的金属催化剂材料(Ni)。固体氧化物燃料电池由于它的高效、环保等特质而在未来能源市场上有着很大的发展潜力。然而在目前，由于高温运行带来的各项挑战，它的发展受到系统寿命和高成本的双重掣肘，其性价比仍然远落后于其他的发电途径，因此目前仍然需要大力的研究和开发。首先来说，目前有很多方式可以提高固体氧化物燃料电池的性价比，尝试修饰其中电极和电解质的界面以寻求更佳的电池性能是可以考虑的办法之一。无论是实验还是模拟端，已经有相当数量的文献都验证了因增大界面给电池表现带来的的提升作用。然而，在那些文章中，只有很少的界面形状被作为研究对象，且对界面的曲折程度与性能的关系缺乏明确的归纳，给系统地进行界面修饰带来很多的疑问。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，本专利技术以电解质厚度都为10μm的阳极支撑型固体氧化物燃料电池为研究对象，使用COMSOL建立模型，得出gap厚度为100μm的矩形界面单电池电流电压曲线明显优于平面界面电池，其最大功率密度提升可以达到48％。本专利技术的技术方案：一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，包括以下步骤：S01、模型假设；S02、模型的几何对象设定；S03、通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，利用COMSOL软件建立二维数值模型；S04、比较不同高度的矩形阳极/电解质界面电池和平面界面电池的性能和内部物理场的分布，分析结果并得出仿真模拟结论。前述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法中，所述步骤S02中，模型的几何对象设定为电解质厚度为10μm的阳极支撑型固体氧化物燃料电池。前述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法中，阳极表面到阳极/电解质的距离恒定在500μm，阴极保持在50μm，电解质L的厚度固定为10μm，重复单元的长度为160μm。前述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法中，所述步骤S01中，模型假设如下：a、电池在稳态条件下运行；b、单元中的温度恒定保持在800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、阳极和阴极表面的气体体积分数和压强保持恒定。前述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法中，步骤S03中利用COMSOL软件建立模型包括以下步骤，S031、在COMSOL软件中进行模型所需的常数、表达式输入；S032、求解域和边界的设定；S033、建立网络，进行网格划分，网格划分后运行程序得到对应条件下SOFC的内部物理场的分布；S034、改变gap的值，在COMSOLScript中打开并对原文件进行循环，深度研究不同参数下电池性能的变化。前述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法中，所述步骤S034中gap的高度为25μm、50μm或100μm。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术以电解质厚度都为10μm的阳极支撑型固体氧化物燃料电池为研究对象，通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，使用COMSOL建立了稳态下的二维数值模型，得到并比较了不同高度(gap)的矩形阳极/电解质界面电池和平面界面电池的性能和内部物理场的分布。(2)通过模拟得到的电池内部气体的分布可知，从阳极表面到阳极内部，H2的分压不断减小，但是气体的总压却不断增大。(3)不同gap和平面型电池的I-V，I-P曲线证明了其随着gap厚度的提高，界面扩大因子的增大，相应界面电池的电化学性能越好，其中gap厚度为100μm的矩形界面单电池电流电压曲线明显优于平面界面电池，其最大功率密度提升可以达到48％。(4)电极的电化学反应高度集中在电极/电解质界面附近，按照活跃反应区域的定义，阳极活跃反应区域厚度为15μm，阴极端对应的厚度为10μm，并且随着gap的增大，电极内部的最大反应速率也相应增大。(5)不同gap下电极活跃反应区域厚度几乎不变，因此gap的增大能增加电极的活跃反应区域面积，类似于三相界面的扩大，能减小电极反应的活化损失，有利于电池性能的提升。(6)定义了平均电流密度扩大因子，并得到随着电压的下降，其值先增大，后减小，减小的过程和阳极浓差极化的增强密切相关。(7)随着gap从25μm增大到100μm，电池的活化过电势减小，浓差过电势增大，电池性能的提升证明了活化过电势的减小值更大。附图说明图1为本专利技术的模拟的SOFC几何单元的结构示意图，其中(a)为平面界面，(b)为矩形界面；图2为本专利技术的模型中计算的的几种不同厚度gap的矩形界面单元及其界面扩大因子，其中(a)gap的高度为25μm，(b)gap的高度为50μm，(c)gap的高度为100μm；图3为本专利技术的电池内部气体、离子和电子传输示意图；图4为本专利技术的模拟电池的性能与实验数据的比较示意图；图5为本专利技术的gap100电池内部的电势分布图，其中(a)是电子电势，(b)是离子电势分布；图6为本专利技术的gap100电极内气体压强分布图(E＝0.7V)，其中(a)是阴极端的O2和阳极端的H2的分压，(b)是阴极端的N2和阳极端的H2O压强分布，(c)是阳极和阴极端的总压强分布；图7为本专利技术的不同界面电池单位面积的电流电压和功率曲线图；图8为本专利技术的矩形界面电池在不同电压下的电流密度扩大系数；图9为本专利技术的gap100电池内部过电势分布图(E＝0.7V)，其中(a)是浓差过电势，(b)是活化过电势；图10为本专利技术的化学反应速率iv在阳极内部的分布情况图，其中(a)为整个阳极区域，(b)为阳极活跃反应区域，(c)为阳极活跃反应区域放大图；图11为本专利技术的两种矩形界面电池的阳极活跃反应区域示意图，其中(a)为gap100，(b)为gap25；图12为本专利技术的四种界面电池的浓差过电势和活化过电势随gap变化图(E＝0.7V)。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但并不作为对本专利技术限制的依据。一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、模型假设；S02、模型的几何对象设定；S03、通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，利用COMSOL软件建立二维数值模型；S04、比较不同高度的矩形阳极/电解质界面电池和平面界面电池的性能和内部物理场的分布，分析结果并得出仿真模拟结论。

【技术特征摘要】
1.一种SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、模型假设；S02、模型的几何对象设定；S03、通过考虑阳极/电解质/阴极单元中的电子，离子和气体的传输方程及电化学反应动力学，利用COMSOL软件建立二维数值模型；S04、比较不同高度的矩形阳极/电解质界面电池和平面界面电池的性能和内部物理场的分布，分析结果并得出仿真模拟结论。2.如权利要求1所述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，其特征在于，所述步骤S02中，模型的几何对象设定为电解质厚度为10μm的阳极支撑型固体氧化物燃料电池。3.如权利要求2所述的SOFC矩形电极电解质界面仿真模拟的方法，其特征在于，阳极表面到阳极/电解质的距离恒定在500μm，阴极保持在50μm，电解质L的厚度固定为10μm，重复单元的长度为160μm。4.如权利要求1所述的SOFC矩形电极电解质...

【专利技术属性】
技术研发人员：李箭，蒲健，申景泉，
申请(专利权)人：中博源仪征新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32