4×4阵列管式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆温度场和流场初步分析
平板型固体氧化物燃料电池的流场设计及优化概述
平板型固体氧化物燃料电池的流场设计及优化概述
白虎;冯宇;叶晓峰;冷志忠;张博;周娟
【期刊名称】《陶瓷学报》
【年(卷),期】2022(43)1
【摘要】固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs)具有燃料适用性广、余热利用价值高、能量转化效率高的优点,成为当下能量转化技术的研究热点。
但是,在商业化之前,SOFCs仍然存在着一些亟待改善的问题,其中,稳定性和工作寿命
便是最关键的问题。
鉴于流场与温度场、电场相互耦合,不均匀的流场极易导致电
池局部热失控,产生热应力,对电池产生不可逆损坏,影响SOFCs系统寿命。
改善流
场设计、保证流动均匀性是提高稳定性和寿命的关键。
对平板型SOFCs的流场设计及优化进行了概述。
【总页数】17页(P28-44)
【作者】白虎;冯宇;叶晓峰;冷志忠;张博;周娟
【作者单位】南京理工大学能源与动力工程学院;中国科学院上海硅酸盐研究所【正文语种】中文
【中图分类】TQ174.75
【相关文献】
1.4×4阵列管式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆温度场和流场初步分析
2.多通道平
板型固体氧化物燃料电池的逆流流场数值分析3.多通道平板型固体氧化物燃料电
池的逆流流场数值分析4.不确定性条件下对固体氧化物燃料电池-质子交换膜燃料电池联合系统的综合/设计优化(英文)
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固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。
同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。
固体氧化物燃料电池堆性能评估及优化
固体氧化物燃料电池堆性能评估及优化随着全球能源消耗的不断增长和环境问题的日益严峻，绿色、高效、可持续的能源成为了全球能源领域的研究热点。
而固体氧化物燃料电池堆（SOFC）作为一种高效、清洁的能源转化技术，越来越受到人们的青睐。
SOFC是一种将化学能转化为电能的电化学装置，其主要由阳极、阴极、电解质三个部分构成。
其中，电解质部分采用固体氧化物材料，通过氧化还原反应将氢气或可燃气体转化为电能，同时产生热能。
然而，SOFC堆的性能与稳定性受到多方面的影响，如材料制备工艺、堆配置、多物理场、气体流动和反应动力学等，对其进行性能评估和优化相当复杂，需要全面考虑各个方面因素的影响。
一、性能评估性能评估是SOFC开发和研究的重要环节，主要包括电化学特性的表征和电化学测试。
电化学测试是衡量SOFC性能的主要手段，包括IV曲线、交流阻抗谱等多种测试手段。
IV曲线是SOFC基本特性测试，其通过测量SOFC的电压和电流关系来确定其电化学性能，反映SOFC在不同电化学状态下的特性变化。
交流阻抗谱测试则通过对SOFC在不同频率下的阻抗变化来分析SOFC的动力学性能。
这种测试可帮助研究者评估SOFC的电化学特性、阳极和阴极极化、电化学反应动力学等因素对SOFC性能的影响，同时也能够对堆组件进行故障分析。
二、性能优化SOFC性能优化主要包括材料的设计和优化、堆结构的设计和优化以及气体混合和反应动力学的优化，需要综合考虑多个方面因素。
1.材料优化材料的设计和优化是SOFC优化的关键环节，主要包括电解质、阳极、阴极等多种材料的配合设计。
电解质的稳定性、电导率和阻抗等多方面特性都会对SOFC的性能造成影响，因此需要综合考虑材料的性能和制备工艺。
在阳极方面，钙钛矿氧化物、贵金属催化剂、导电性聚合物等都具有重要意义。
而阴极方面最近的研究将重点放置于氧化物混合、金属氧化物合成和基底双金属烧结几方面。
2.堆结构优化SOFC堆的设计和优化需要考虑堆组件之间的接口匹配和堆组件的设计等诸多因素。
固体氧化物燃料电池电堆
固体氧化物燃料电池电堆固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一类高效能、稳定性良好、使用寿命长的燃料电池。
SOFC 採用固体电解质板，通常是由氧化物制成，作为电池的电解质层。
在两面固体电解质板之间是阳极和阴极，形成一个电池单元或电池堆。
电解质板可以在高温下（700℃-1000℃）传递离子。
这些离子可能是氢气、碳气化物、または甲烷等燃料分子中的氢离子，也有可能是与空气中氧气反应排放出的氧化离子和负电荷。
通过这种方式，可以将化学能转化为电能，并输出热能和水蒸气。
工业领域和燃料电池汽车中SOFC 主要应用于高温、大功率、固定输出的使用场景，如工业领域的能量、材料制造或储存等方面。
SOFC 能够在700℃-1000℃ 的高温环境中运行，可以输出至少数十千瓦的功率，并且具有高效率和高可靠性。
例如，SOFC 在市电停电时可以作为应急电源使用。
此外，SOFC 还可以作为燃料电池汽车的一个支持系统，从而大大提高氢气燃料电池汽车的续航里程。
SOFC 的优势与挑战与其他类型的燃料电池相比，SOFC 具有以下优点：● 高效能和高效率：SOFC 可以在燃料转化为电力和热能时实现高效能和高效率，因此SOFC 的能源使用性能超过其他类型的燃料电池。
此外，SOFC 可以将余热转化为电力，从而提高了总效率。
● 可靠性高：SOFC 没有移动部件，因此具有较高的可靠性和寿命。
此外，SOFC 可以长时间运行，不需要频繁的维护保养。
在合适的条件下，SOFC 可以运行数万小时以上。
● 适用性广：SOFC 能够利用各种类型的氢燃料，如纯氢气或从天然气、煤气或生物质中提取的氢气。
此外，SOFC 还可以通过氢和二氧化碳的混合物产生燃料电池输出，从而促进可持续发展。
SOFC 同时也存在一些挑战：● 高温：SOFC 必须在高温环境（700℃-1000℃）下运行，在运行和停机过程中，SOFC 必须进行缓慢加热和冷却，以避免热震和断裂。
固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）作为一种高效、清洁的能源转换技术，在冷热电联供系统中具有广阔的应用前景。
冷热电联供系统是一种集成化的能源利用方式，通过优化热电联产过程，实现能源的高效利用。
SOFC 作为冷热电联供系统的组件之一，具有高效、低排放、灵活性强等优势，因此在能源系统中发挥着越来越重要的作用。
1.SOFC概述SOFC是一种以固体电解质为基础的燃料电池，其主要组成部分包括阳极、阴极和电解质，其中电解质通常为氧化物。
在工作过程中，燃料（通常为氢气、甲烷等）在阳极处发生氧化反应，产生电子和离子，电子通过外部电路形成电流，离子穿过电解质到达阴极，在阴极处与氧气发生还原反应。
这种电化学过程产生的电能可用于供电或其他电力需求，同时SOFC还能够产生高温废热。
2.冷热电联供系统中的应用前景2.1高效能源转换SOFC具有高效率的能源转换特性，其电-热转换效率可达60%以上。
通过将SOFC与其他能源设备集成，如燃气轮机、蒸汽轮机等，可以实现更高效的能源转换，提高整个系统的总体能源利用效率。
2.2低排放与环境友好与传统发电方式相比，SOFC的燃烧过程不仅效率更高，而且排放的主要产物为水蒸气和二氧化碳。
SOFC在冷热电联供系统中的应用有助于减少温室气体排放，符合环保和可持续发展的要求。
2.3灵活性与响应速度SOFC具有较高的热响应速度，可以在短时间内达到额定功率，使其在应对电力需求波动、应急电力供应等方面具备灵活性。
这使得SOFC在冷热电联供系统中能够更好地适应复杂多变的能源需求。
2.4分布式能源系统SOFC可以被部署在分布式能源系统中，通过小型化、模块化的设计，实现能源的近端生产与使用，减少能源传输损失。
这种分布式部署方式有助于提高电力系统的鲁棒性和可靠性。
3.具体应用案例3.1工业厂区冷热电联供将SOFC集成到工业厂区的能源系统中，通过利用SOFC产生的废热供热，同时利用其电力输出满足工业生产的电力需求。
燃料电池报告 固态氧化物燃料电池 (电池堆结构)
電池堆結構(13)
平板式SOFC之PEN板組成
早期平板式SOFC PEN板及目前PEN板之比較
特徵 種類
早期PEN板 900 ~ 1000℃ 特殊材料 高 厚 高
近代PEN板 700 ~ 800℃ 一般不銹鋼 低 薄 低
操作溫度 雙及連接材料 歐姆電阻 電解質 製作成本
電池堆結構(14)
將原先電解質支撐設計變更為陽極支撐厚度增加， 將電解質隔膜製作很薄以降低歐姆電阻增加功率密度。 左圖堆疊SOFC操作溫度只需700~800℃，如此低溫操作 環境可以直接使用金屬雙極連接材料，例如不銹鋼，金 屬雙極板耐久性比陶瓷好，並作為承受結構元件使電池 堆的抗破壞及抗熱應力增加，不僅降低成本、降低電阻， 並可解決熱膨脹問題。
電池堆結構(5)
電池堆結構(6)
SOFC結構設計重點
一般而言 , 在高溫操作下的SOFC其電極極化並不大 , 造成電位損失主要來自於各元件的歐姆阻抗 , 因此 , 選擇高導電度材料以及降低各元件之厚度成為SOFC 結構設計的重點。 SOFC 的歐姆阻抗將有 45% 來自陰極、 18% 來自陽極、 12%來自電解質、而剩下25%則來自雙極連接材料。 針對圓管式SOFC高歐姆阻抗的問題 , 西門子西屋公 司提出扁平管固態氧化物燃料電池(flat-tube SOFC)的 設計 , 又稱作HPD SFC電流路徑及性能比較
電池堆結構(11)
圓管SOFC與扁平SOFC性能之比較 (操作溫度 : 950℃ , 操作電壓 : 0.65V)
特徵 種類
圓管SOFC EDB/Elsam
a
扁平管SOFC HPD4b 50 HPD4 50 HPD12 50
電池長度
150
電池堆結構(2)
燃料电池系统固体氧化物燃料电池研究
燃料电池系统固体氧化物燃料电池研究燃料电池系统固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、清洁能源转换技术，在能源领域备受关注。
SOFC具有高效率、低排放、运行稳定等优势，因此被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。
然而，SOFC仍然面临着诸多挑战，如高温运行、材料热膨胀系数不匹配、堆内温度梯度过大等问题，限制了其实际应用。
因此，对SOFC进行深入研究，探索其性能提升和工程化应用具有重要意义。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种利用固体氧化物电解质将燃料和氧气直接转化为电能的电化学装置。
与传统燃烧发电相比，SOFC具有高效率、低排放、长寿命等优势。
SOFC由金属电极、阳极、阴极和电解质四部分组成，其中电解质通常采用氧化物，如氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)。
反应过程主要包括氧化还原反应，具体如下：在阳极：燃料（如氢气）+氧离子（在电解质中）-> 电子 + 水蒸气；在阴极：氧气 + 电子 -> 氧离子 + 自由基氧；电子通过外部电路流回到阳极，与氧离子在阳极再次发生反应，完成电流的闭合回路。
整个过程中，氧离子在电解质中传导，电子在电极中传导，完成了能量的转换。
SOFC作为一种高效、清洁的能源转换技术，具有广阔的应用前景。
然而，SOFC依然存在着一些问题，如高温运行、材料热膨胀系数不匹配、堆内温度梯度过大等挑战，限制了其实际应用。
为了解决这些问题，需要对SOFC进行深入研究，并提出相应的解决方案。
在SOFC燃烧的过程中，高温运行是其面临的一个主要挑战。
传统SOFC需要在800°C至1000°C的高温下运行才能保持良好的性能，这不仅增加了设备成本，还可能导致材料的热膨胀不匹配、寿命缩短等问题。
因此，降低SOFC的运行温度，提高其低温效率，是当前研究的重点之一。
为了解决SOFC高温运行的问题，研究者们提出了许多新的材料和结构设计。
固态氧化物燃料电池最新研究进展简析
固态氧化物燃料电池最新研究进展简析固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是利用固体氧化物作为电解质的一种高温燃料电池。
相对于传统的燃料电池，SOFC具有更高的能量转换效率、更长的寿命和更低的污染排放。
因此，SOFC一直被认为是火电和传统化石燃料技术逐渐淘汰后的最有希望的能源替代方案之一。
1. 材料研究的进展SOFC的核心结构是由阴阳极和氧离子导体组成的复合材料薄膜。
如何选择和设计高性能的电极材料一直是SOFC研究的重要方向之一。
石墨烯、铜基掺杂过渡金属氧化物及其衍生物、复合金属氧化物、异种纳米颗粒复合物等已经成为研究人员广泛关注的材料。
其中，石墨烯因其优异的导电性、导气性、化学稳定性和高的比表面积等优点而备受关注。
近期，研究人员通过石墨烯和SrTiO3的复合材料制备高性能的阳极材料，并成功应用于SOFC 中。
2. 催化剂的研究催化剂的选择对SOFC的稳定性和性能都具有很大的影响。
传统的催化剂一般是基于铂族金属的贵金属催化剂。
然而，这种催化剂会在高温条件下出现烧蚀和劣化等问题，极大地降低了SOFC 的寿命。
为了解决这一问题，近期研究者开始探索新的催化剂。
一些研究表明，掺杂金属和碳等材料可以作为具有高效催化作用的替代催化剂。
比如，研究人员提出了一种基于La-doped BaSnO3-x的新型阳极催化剂，其表现出了较高的质子氧化还原反应活性和电化学稳定性，为SOFC的实际应用提供了新思路。
3. 智能化SOFC系统的研究SOFC系统具有较高的能量转化效率和灵活的运行特性，因此被广泛应用于家庭或工业用途。
然而，SOFC系统的稳定性和安全性仍然是存在挑战的问题。
智能化系统的应用可以为SOFC系统的稳定以及优化提供解决方案。
研究者们提出了一种基于物联网的SOFC智能监测系统，该系统可以实时监测SOFC系统的内部状态和外部环境，并通过数据分析和反馈控制系统进行实时调整和优化。
固体氧化物燃料电池外围热管理系统研究进展
固体氧化物燃料电池外围热管理系统研究进展固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高效、环保的电化学能量转换装置，能够将化学能直接转化为电能。
SOFC具有高能量转换效率、低排放、燃料灵活性等优点，被广泛应用于电力、热能和燃料等领域。
然而，SOFC在实际应用中还存在一些热管理问题，这就需要研究和设计高效的外围热管理系统。
固体氧化物燃料电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不进行良好的热管理，会导致燃料电池温度过高、热失控和寿命下降等问题。
因此，外围热管理系统对于SOFC的安全运行和性能提升非常重要。
近年来，研究者们在SOFC的外围热管理系统上做了大量的工作，取得了一系列的进展。
首先，研究者们通过数值模拟和实验研究，对SOFC的热特性进行了深入的分析和理解。
他们研究了SOFC的热传导、对流、辐射和相变等热传输机制，以及SOFC在不同热工况下的温度分布和温度梯度等参数。
这些研究结果为设计高效的外围热管理系统提供了理论依据。
其次，研究者们提出了一系列的热管理策略和技术。
例如，采用堆内燃料流体循环系统，通过排放进一步加热燃料，提高SOFC的温度均匀性和热利用效率。
采用堆内循环系统可以有效降低燃料电池的温度梯度，并提高堆体的热传导性能。
此外，还有一些技术，如优化传热介质、使用热管、采用相变材料等，也能有效解决SOFC的热管理问题。
此外，研究者还通过实验研究和数值模拟，对外围热管理系统进行优化和改进。
例如，通过优化冷却介质的流速、流量和入口温度等参数，可以提高冷却效果和燃料电池的效率。
通过使用热管或相变材料等热管理材料，可以改善SOFC的温度分布和降低温度梯度。
此外，还有一些新的外围热管理技术，如微通道散热器、多级冷却系统等，也被广泛研究。
总之，固体氧化物燃料电池外围热管理系统的研究取得了显著进展。
然而，目前仍存在一些挑战，如提高热传导性能、降低热损失和改进冷却技术等。
因此，今后的研究需要进一步优化外围热管理系统，并结合实际应用需求进行改进，以实现固体氧化物燃料电池的高效运行和长寿命。
氧化物燃料电池技术研究
氧化物燃料电池技术研究氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）是一种高温燃料电池，又称固体氧化物燃料电池。
它采用氧离子作为电荷载体，在高温下通过电化学反应转化化学能为电能，具有高效率、低污染、低噪声、多燃料适用和长寿命等特点，被认为是未来能源转型中的重要技术之一。
因此，在能源领域，SOFC的研究备受关注。
一、SOFC的基本原理与工作方式SOFC是一种氧化还原反应器，其基本原理和燃料电池相似，都是利用化学能转化为电能，其中SOFC利用气体燃料和氧从两个相反方向通过陶瓷电解质的交界表面，通过氧离子传递产生电流，从而产生电流和放热。
SOFC的原料主要包括固态电解质、阴极和阳极三部分，其中电解质主要是氧离子导体，阴极用转换层催化剂将氧气还原成氧离子并提供电子，阳极主要是催化转换部位，将燃料气体进行内部的氧化还原反应，使之与电子相互作用产生电流。
至于工作方式，SOFC的基本工作方式是建立在高温（700-1100°C）下进行的。
基本上，供气体，如氢、甲烷、乙醇，流入阳极的侧面，然后穿过阳极，与所提供的氧气一起输入到电解质中，其中的氧离子穿过电解质，到达阴极面并与燃料反应，从而产生电流、水和二氧化碳等产物。
SOFC的一个优点是可以复合燃料，使用各种燃料例如氢气、天然气、甲烷、乙醇、二氧化碳等。
二、SOFC技术研究的现状在SOFC的研究与应用中，最核心的问题是要提高SOFC电池的效率，并同时降低制造成本以及提高电池的寿命。
因此，针对SOFC研究的主要方向包括以下几个方面：1. 电解质材料的研究：电解质是SOFC的关键部件，它能够导电并在很高的温度下将氧离子输送到阴极。
当前对于提高电解质质量，从分析和改进材料的物理结构、化学结构等方面得出的结果表明，相对较新的技术方法如Sol-Gel法、自组装法可以大幅减轻电解质表面的不均匀性；而提高电解质厚度还可以提高电池的效率。
2. 催化剂的研究：在SOFC中，催化剂主要用于提高阴极的反应效率，从而提高电势。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池（ 固体氧化物燃料电池（SOFC） ）
燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂 燃料电池 中的化学能转换为电能的高效发电装置。 。
电解质 阳极 燃 料 阴极 氧气
水、 尾气
水、 尾气
SOFC的优点 的优点： 的优点
① 发电效率高，直接把化学能转变为电能，不受卡若循环 的限制，理论效率可达80%； ②可使用多种燃料：氢气、甲烷、天然气； ③排放高温余热可进行综合利用，易于实现热电联产，燃 料利用率高 ④低噪声，低排放，是清洁能源； ⑤重量轻，体积小，比功率高（600W/Kg）。有较高的电 流密度和功率密度，较小的极化损失和欧姆损失； ⑥不用贵金属，不存在液态电解制腐蚀及封接问题
电极材料 ：
SOFC中电极有阳极和阴极之分，阳极位于燃料气一侧，而阴 极位于氧气一侧。 阳极材料：目前普遍采用Ni-YSZ材料为阳极材料，它具有催 化活性高、价格低等优点。 。
阴极材料：目前，SOFC中广泛采用的阴极材料是锶掺杂的 亚锰酸镧（LSM）钙钛矿型材料.因为它具有高的电子电导 性、电化学活性和与YSZ相近的热膨胀系数等综合优良性 能。
平板式结构 瓦楞状结构
S型结构 管式结构
1-支撑体；2-蛇形沟槽；3-阳极；4-电解质；5-阴极 支撑体； 蛇形沟槽 蛇形沟槽； 阳极 阳极； 电解质 电解质； 阴极 支撑体
SOFC的工作原理： 的工作原理： 的工作原理
SOFC的主要工作部分由空气电极（阴极）、具有氧离子 电导的固体电解质和燃料电极（阳极）所组成。
连接体材料： 连接体材料：
它一边与一个单电池的阳极连接，另一边与另一个单电 池的阴极连接，因而也称为双极连接材料，即连接两个 单电池的阴极和阳极。 目前主要有两类材料能满足平板式SOFC连接材料的要 求：一种是钙或锶掺杂的铬酸镧钙钛矿材料La1xCaxCrO3（LCC）；另一类材料是耐高温Cr-Ni合金材 料。 管式SOFC的连接材料一般采用LCC，用电化学气相沉 积法（EVD）沉积在亚锰酸镧（LSM）电极上烧结而成， 厚度约40µm。
固体氧化物燃料电池(SOFC)研究报告
Experimental Setup and investigation
§ Generate experimentally polarization curves for different situations Example of proposed experimental plan
AC Power
Heat
Bottoming Cycle Co-generatig SOFC
Electricity Air Depleted Air
Air
SOFC
Fuel
H2, CO 2, H2O, CO
OTM Afterburner
CO 2, H2O
Aspen Plus SOFC Model
15 RECUPER
9
Air
Exhaust
14 10 Q4 8 HEATER2
EJECTOR
REFORMER
CATHODE 12
HEATER1 13 AFTERBUR
1
2 11 7 Q1 3 ANODE Q2 4 COOLER1 Q3 Q 6 5 SPLIT
SOFC Research at Waterloo - Personnel
n
Supervisors: – Eric Croiset, assistant professor – Peter Douglas, professor – Michael Fowler, lecturer – Evgueniy Entchev, research scientist, CANMET
§ Develop the cell performance map based on operation of H 2 and CO mixtures § Generate parameters for correlations used in the AspenPlus model
阳极支撑型固体氧化物燃料电池内多物理场传递过程的机理与数值分析
阳极支撑型固体氧化物燃料电池内多物理场传递过程的机理与数值分析固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高温燃料电池，能将燃料气和氧气通过反应直接转化为电能。
在SOFC中，阳极（负极）起到了支撑和反应的双重作用。
阳极材料一般采用镍-YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）复合材料，其具有很好的导电性能和良好的氧离子传输特性。
首先，热传递过程是SOFC工作的重要环节。
在燃料和氧气输入SOFC 后，它们需要通过阳极材料传递热量。
热传递过程的机理可以通过导热方程描述，其中热传导系数是传热的重要参数。
在数值分析中，可以采用有限元方法或有限差分方法进行求解。
其次，质量传递是燃料和氧气在阳极材料中的扩散过程。
燃料气（例如氢气）在阳极表面吸附并与其中的氧离子发生反应，产生水蒸气和电子。
而氧气则通过阳极材料的孔隙结构进入阳极，并与燃料气中的氢气反应。
质量传递的机理可以通过Fick定律描述，其中扩散系数是扩散过程的重要参数。
最后，电传输是指氧离子在阳极材料中的传输过程。
这些氧离子通过阳极的导电相移动，同时带有电荷。
电传输过程的机理可以通过电导率和极化电阻来描述。
电阻主要源于阳极材料的导电相和电极和电解质之间的接触电阻。
在数值分析中，可以采用电导率-极化电阻（Ohmic polarization）模型进行计算。
进行阳极支撑型SOFC内多物理场传递过程的数值分析需要采用耦合的多物理场模型。
这要求将热传递、质量传递和电传输的方程耦合起来，并进行求解。
在数值模拟中，需要考虑阳极材料的微观结构、温度分布和气体扩散等因素，以获得准确的结果。
综上所述，阳极支撑型SOFC内多物理场传递过程的机理涉及热传递、质量传递和电传输三个方面。
数值分析可以采用有限元方法或有限差分方法进行求解，考虑阳极材料的特性和微观结构。
这有助于优化SOFC的设计和性能，提高其能源转换效率。
外气道SOFC电堆流场的优化设计和数值模拟
外气道SOFC电堆流场的优化设计和数值模拟方大为;王凯;颜冬;罗军;蒲健【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2013(037)009【摘要】外气道固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆的流场分布对电堆性能有重要影响,通过对电堆侧盖的优化设计可以实现气流均匀分布.电堆侧盖主要分为从上至下的三管进气和中间单管进气两种结构.基于千瓦级电堆模型,将侧盖空腔划分为24条出气通道,以测量每条气体通道的出口速度,最终反映电堆入口气体的分布状态.利用ANSYS软件对侧盖空腔内气流均匀性分布进行了数值模拟.实际测量及数值模拟的结果均表明:降低气体在侧盖腔体内的流动速度,可以有效提高气流的均匀性.实际电堆中阳极和阴极气体分配器的存在将增大气体流动阻力,有利于侧盖中的气流进一步均匀化.【总页数】4页(P1550-1553)【作者】方大为;王凯;颜冬;罗军;蒲健【作者单位】华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学材料科学与工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TM911【相关文献】1.4×4阵列管式固体氧化物燃料电池(SOFC)堆温度场和流场初步分析 [J], 禹争光;梁君;张蔓2.基于容阻建模技术的SOFC电堆数值模拟 [J], 黄刘松;张会生3.基于DRT和ADIS的SOFC/SOEC电堆电化学阻抗谱研究 [J], 王雪;张文强;于波;陈靖4.基于ABC-RBF神经网络辨识的SOFC电堆建模 [J], 熊超;靳方圆;周海峰5.SOFC电堆降阶建模研究及其仿真测试 [J], 张琳;刘润华;周伟彬;杜鹏飞;王晋晶因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
固体氧化物燃料电池性能的微结构理论与多尺度多物理场模拟的开题报告
固体氧化物燃料电池性能的微结构理论与多尺度多物理场
模拟的开题报告
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、清洁的电化学器件，其具有高能量
转化效率、低污染排放、多燃料适应性等优点，在能源领域具有广泛的应用前景。
然而，SOFC的性能受到其微观结构的影响，因此需通过理论研究与多尺度多物理场模拟手段来探究其微观结构与性能之间的关系。
本文旨在针对固体氧化物燃料电池的微结构理论与多尺度多物理场模拟进行研究，主要内容包括以下几个方面：
1. 固体氧化物燃料电池的微观结构分析：介绍SOFC的微观结构，包括固体电解质、阴、阳极等组成部分，并分析其结构对性能的影响。
2. 多尺度模拟方法：介绍SOFC多尺度模拟方法，包括从原子级别到宏观尺度的模拟手段，以及多物理场的耦合模拟方法。
3. 多物理场场模拟：探讨多物理场场模拟在SOFC性能研究中的应用，包括热、物质输运、电化学反应等方面的模拟方法，以及多物理场的相互作用和耦合关系。
4. SOFC性能优化：通过上述模拟方法，探究SOFC中各个参数的优化，如电解
质厚度、电极孔径大小、催化剂分布等，从而实现SOFC性能的最优化。
总之，通过对SOFC微观结构理论与多尺度多物理场模拟的研究，旨在实现该器件性能的优化与可持续发展，提升其在能源转化中的应用范围与效果。
固体氧化物燃料电池(SOFC)
固体氧化物燃料电池(SOFC)及其发展摘要：固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有高效率、零污染、无噪声等特点。
它可以为民用、贸易、军事和交通运输等提供高质量的电源。
这一技术的成功应用对于缓解能源危机、满足对电力数目和质量的需求、保护生态环境和国家安全都具有重大的意义。
本文简略地介绍了固体氧化物燃料电池及现状和存在的题目，并提出了值得深进研究的课题。
关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)，现状，发展1．固体氧化物燃料电池发展背景燃料电池的历史可以追溯到1839年，SOFC的开发始于20世纪40年代，但是在80年代以后其研究才得到蓬勃发展。
以美国西屋电气公司(Westinghouse Electric Company)为代表，研制了管状结构的SOFC，用挤出成型方法制备多孔氧化铝或复合氧化锆支撑管，然后采用电化学气相沉积方法制备厚度在几十到100μm的电解质薄膜和电极薄膜。
1987年，该公司在日本安装的25kW级发电和余热供热SOFC系统，到1997年3月成功运行了约1. 3万小时；1997年12月，西门子西屋公司(Siemens Westinghouse Electric Company)在荷兰安装了第一组100kW管状SOFC系统，截止到2000年底封闭，累计工作了16 ,612小时，能量效率为46 %；2002年5月，西门子西屋公司又与加州大学合作，在加州安装了第一套220kW SOFC与气体涡轮机联动发电系统，目前获得的能量转化效率为58 %，猜测有看达到70 %。
接下来预备在德国安装320kW 联动发电系统，建成1MW的发电系统，预计2005年底，管状结构SOFC走向贸易化。
同时，日本三菱重工长崎造船所、九州电力公司和东陶公司、德国海德堡中心研究所等也进行了千瓦级管状结构SOFC发电试验.另外，加拿大的环球热电公司( Global Thermoelectric Inc. )，美国GE、Z2tek 等公司在开发平板型SOFC上取得进展，目前正在对千瓦级模块进行试运行。
管式固体氧化物燃料电池跨尺度多物理场耦合数值分析优化
管式固体氧化物燃料电池跨尺度多物理场耦合数值分析优化随着全球经济总量的不断提高,传统的燃烧化石燃料提供动力的方式给环境造成了巨大的压力,而固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以避开燃烧过程、不受卡诺循环限制而直接把燃料内的化学能转化为电能的设备,具有高效率和低排放的优势,属于与环境兼容的新能源技术。
研究以管式SOFC为对象,在电池单元尺度层面上,建立了一个多物理场耦合模型来研究电池构型对其性能的影响。
模型中考虑了集流件与电极间的接触电阻,耦合了电子导电过程、离了导电过程、气体输运过程以及电化学反应过程。
计算结果表明:通过适当提高运行温度和电极电导率,同时降低电极孔隙率、接触电阻和输出电压有利于SOFC性能的提升;特别当温度较低、阴极电导率较小、阴极孔隙率较大、输出电压较低时,阴极支撑型管式SOFC性能优于阳极支撑型管式SOFC,这也是传统主流采用阴极支撑型设计的原因。
然而,一方面,阴极支撑型实际应用中会面临一些限制其性能进一步提升的不利因素,另一方面,阳极支撑型在浓差损失和燃料利用率等方面相对阴极支撑型占优,加之近年来SOFC出现了有利于阳极支撑的新集流件设计,都为阳极支撑型的发展带来了可能。
阳极支撑型设计需要合理的管道外侧空气分配方案与之配套,故在电池堆大尺度层面,区别于传统的以阴极支撑型为主的电堆设计,针对阳极支撑型建立了电堆内空气流场模型。
计算分析多种设计方案,综合考虑各结构参数对空气流场影响,包括进出口管直径、进出口管数、进出口管布置位置、流通截面、单电池间距等,对多种方案的堆内空气流场各区域进行整体分析和优化设计,在此基础上提出了一种阳极支撑型电堆的新型的空气分配设计方案。
新型空气分配器特点如下:(1)沿SOFC单元管长度方向在空气入口平均布置了3根管,从下侧面输送空气。
对应的入口空气流量分入3个歧管,歧管内流速降为原来1/3,从而有利于提高SOFC单元间的空气分配均匀性;(2)分配器顶部相对于底部,入口侧相对于出口侧,均采用了截面缩窄的设计。
固体氧化物燃料电池SOFC
固體氧化物燃料電池（SOFC）研究進展和發展動態陳誦英王峰雲鄭淑芬2003.1-2003.9文獻調研報告------SOFC研究進展和發展動態陳誦英王峰雲鄭淑芬摘要毫無疑問，燃料電池是21世紀的新的二次能源裝置，是解決能源利用效率低和環境污染雙重問題的高新技術，保持人類文明持續發展的有效手段。
雖然在把燃料電池推向產業化方面，質子膜燃料電池跑在前面，但由於固體氧化物燃料電池（SOFC）具有比其高得多的能量利用效率，世界各國投入了大量人力、物力和財力來研究發展SOFC。
固體氧化物燃料電池是所有燃料電池中能量利用效率最高的，可達90%甚至超過100%，發電效率也能高達70%，因此在大量消耗能源的電力系統和交通運輸系統有很大的競爭力，其應用潛力很大。
作為固定發電站的發電機用大功率管式設計SOFC和平板式設計SOFC已進入批量生產，家庭辦公樓醫院商店等獨立用戶的數千瓦至數十千瓦電力外加數十千瓦至數佰千瓦熱量的熱電聯供系統（CHP）的平板式設計SOFC和在運輸工具上作為輔助電源用的數千瓦至數十千瓦的輔助電力單元（APU）的板式SOFC也已建立了中試生產線。
SOFC裝置能否象手機那樣為市場接受，關鍵是市場的接受程度而這又取決於SOFC的性能價格比。
多數市場研究者預言，SOFC裝置能象手機那樣在數年內為市場所接受，而且市場對SOFC裝置需求的容量非常大。
要把這些產品成功推向市場的關鍵是SOFC的製造成本，降低製造成本可從兩方面著手，一是使用低價格原材料和降低SOFC的燒製成本，二是使SOFC產品能大批量生產。
不少公司正在從這兩個方向努力。
本調研報告把重點放在與固體氧化物燃料電池相關材料特別是電解質材料和電極材料的研究發展和SOFC的燒制技術發展這兩方面。
在已研究發展的六類固體氧化物燃料電池電解質中，釔穩定氧化鋯（YSZ）、稀土金屬摻雜氧化鈰（RDC）、堿土摻雜鎵酸鑭（LSG）、摻雜氧化鉍、質子傳導SOFC電解質等五類是真正的電解質材料，另一類是材料設計就是把前五類電解質材料薄膜有選擇地組合起來形成多層薄膜電解質。
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响 ，所 以 最 好 的 办 法 是 应 用 数 值 模 拟 的 方 法 对 根 据 ４ ４ 列 管 式 固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 ｘ阵 （ ＯＦ Ｓ Ｃ）堆 实验 结构 分析 ， 电池 在 高度 方 向结构
结 构 的燃 料 电池 ，与 传 统 发 电方 式相 比 ，它 具 有
高 效 、洁 净 、低 噪 音 、可 靠 性 高 的优 点 ，而 且 可 与燃 气 或 煤 的气 化 物 构 成 联 合循 环 ，特 别 适 宜 于
封 闭 、复 杂 的环 境 下工 作 ， 电池状 态 测 量 极 为 困
难 ，而且 电池工作温度 、反应气体压力等参数对
关键词 ：管式Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ电池堆；温度场和流场；开路电压
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ＳＦ Ｏ Ｃ电池 组 装相 对简 单 ，不 涉及 高温 密封 这 一技
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固体 氧化 物燃 料 电池 （ ＯＦ Ｓ Ｃ）是 一种 全 固态 技 术方 案 。 由于 管 式 Ｓ Ｆ 电池 组 通 常 在 高温 、 ＯＣ
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建 造 大 中 型 电 站 … 相 比于 平 板 型 Ｓ Ｆ 。 Ｏ Ｃ， 管 型
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和组 分浓度等特 性 ，分析 电池参数对 电池 内部 气体 流速 、温度和 浓度 分压分布 。计算结果和 实验 测试发现 ：流场和压 力
场 基 本 均 匀 ， 温度 场 变 化在 ±３ ． ４ Ｋ， 而 阵 列 电 池 管 开路 电 压 测 试值 在 １ ～１１ｖＥ 间 ，基 本 满 足 电堆 工 作 要 求 。 ７ ． ．５ ０
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禹争光 梁 君
张 蔓
（东方汽轮机 有限公 司，四川 德阳 。 ６ ８ ０ １ ０ ０）
摘 要 ：通过对实验中管式Ｓ Ｆ Ｏ Ｃ堆的数学建模仿真方法，研究实验中的百瓦级４ ４ × 管式电池堆内部的流体流动、传热
其 电化 学 性 能 、 效率 和 安 全 运 行有 极 为 重要 的影
作者 简介 ：禹争光 （ ９ ０ ），男，工程师，２ ０ 年毕业于 电子科技大学微 电子与固体 电子专业 ，并获博士学位，现从事新能源开发研究 １７～ ０５
工作。
６ 索 汔 ＮＥ ４ Ｉ言 粉按 ＩＤＯＮＧＦ ＡＮＧ ＴＵＲＢｌ