一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电池单元，分别是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一椭圆形界面和第二椭圆形界面。本发明专利技术以燃料电池实际运行参数、规律为依托，建立固体氧化物燃料电池二维有限元模型，并进一步研究其内在的物理化学规律，通过数值模拟研究几种不同的几何界面形状并得出具有最佳性能的界面，并尝试分析此类性能提升的规律，探究其原因，这将对固体氧化物燃料电池的制造具有很大的实际意义，并有益于固体氧化物燃料电池性价比的提升。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法。
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，提供一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，以燃料电池实际运行参数、规律为依托，建立模型并进一步研究其内在的物理化学规律，对固体氧化物燃料电池的制造具有很大的实际意义，并有益于固体氧化物燃料电池性价比的提升。本专利技术的技术方案：一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，该固体氧化物燃料电池建模的目标区域是一个阳极支撑型固体氧化物燃料电池的重复单元，由LSM/YSZ复合阴极、YSZ陶瓷电解质和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述步骤S01中，模型假设及几何设定如下：a、所有参数值不随时间而变化；b、单元中的温度统一为800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极是21％的O2+79％的N2；e、电极中电子电势各处相等；f、标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电池单元，分别是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一椭圆形界面和第二椭圆形界面。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述步骤S02中利用COMSOL软件建立模型包括以下步骤：S021、常数和表达式的输入，将常数和表达式输入COMSOL软件中，S022、建立几何图形后，进行求解域设置、边界设置；S023、建立网络，进行网格划分，随后由电脑对模型进行运算；S024、运算后使用COMSOL自带的工具进行后处理，通过改变模型中参数的值在COMSOLScript进行编程对模型进行循环运算，探究单个参数对固体氧化物燃料电池性能的影响。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面、所述第二椭圆形界面的电流密度均大于所述平面界面固体氧化物燃料电池的电流密度。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述第二椭圆形界面的电流密度大于所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面的电流密度。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术以燃料电池实际运行参数、规律为依托，建立固体氧化物燃料电池二维有限元模型，并进一步研究其内在的物理化学规律，通过数值模拟研究几种不同的几何界面形状并得出具有最佳性能的界面，并分析此类性能提升的规律，探究其原因，这将对固体氧化物燃料电池的制造具有很大的实际意义，并有益于固体氧化物燃料电池性价比的提升。(2)本专利技术探讨了具有不同界面扩大因子的五种阳极-电解质界面对电池性能的影响，得出相对于另四种界面电池，在固定电压下，第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)能获得最大的平均电流密度；不同电池的平均电流密度-电压曲线证实了其性能对比，另外，在电池电解质周围较大的离子电势变化说明了离子欧姆损失很大，未来降低电解质厚度是可行的改进；对第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)的进一步优化表明，其在阳极/电解质界面处越深，越密集，电池总的性能表现就越好，和平面界面电池比较，理想下能获得最大32％的电流密度的提升。附图说明图1为本专利技术的第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图2为本专利技术的矩形界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图3为本专利技术的第一椭圆形界面(即较浅椭圆形界面)的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图4为本专利技术的平面界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图5为本专利技术的三角形界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图6为本专利技术的电流密度和界面扩大因子的关系示意图；图7为本专利技术的阳极氢气的摩尔浓度(E＝0.7V)示意图；图8为本专利技术的阳极水蒸气的摩尔浓度(E＝0.7V)示意图；图9为本专利技术的五种不同界面电池的I-V曲线比较图；图10为本专利技术的沿着电池界面的离子电势分布示意图；图11为本专利技术的沿图10竖直y方向的离子电势截面图；图12为本专利技术的第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)阳极和电解质几何结构示意图。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。一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。进一步地，该固体氧化物燃料电池建模的目标区域是一个阳极支撑型固体氧化物燃料电池的重复单元，由LSM/YSZ复合阴极、YSZ陶瓷电解质和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。进一步地，所述步骤S01中，模型假设及几何设定如下：a、所有参数值不随时间而变化；b、单元中的温度统一为800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极是21％的O2+79％的N2；e、电极中电子电势各处相等；f、标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立。进一步地，所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，其特征在于，该固体氧化物燃料电池建模的目标区域是一个阳极支撑型固体氧化物燃料电池的重复单元，由LSM/YSZ复合阴极、YSZ陶瓷电解质和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。3.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，其特征在于，所述步骤S01中，模型假设及几何设定如下：a、所有参数值不随时间而变化；b、单元中的温度统一为800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极是21％的O2+79％的N2；e、电极中电子电势各处相等；f、标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立。4.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，其特征在于，所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电...

【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