CN110287632B - 固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极接触电阻的数值模拟方法，首先根据W‑M分形理论建立阴极接触层和连接体粗糙面模型，然后以阴极接触层和连接体粗糙面为顶面，构建阴极接触层和连接体实体结构，结合有限元方法建立阴极接触电阻热力电耦合模型，根据SOFC阴极接触层与连接体的实际工况求解阴极接触电阻。本发明为高温工作环境下SOFC阴极接触电阻的研究提供了一种简单、快捷、可靠的新方法。

Description

固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法

技术领域

本发明属于新能源技术，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法。

背景技术

在当前能源紧缺的时代，燃料电池被认为是高效率发电设备的选择之一，在各种类型的燃料电池中，SOFC因为其不需要贵金属催化剂、燃料灵活被认为是一种很有发展前景的发电方式。但是，由于种种原因，SOFC的实际性能始终差强人意，其中一个原因在于SOFC阴极与连接体之间的接触问题。为了改善阴极与连接体的接触，研究人员在阴极测涂一层阴极接触层，以此来改善阴极与连接体之间的接触。目前针对阴极接触层与连接体之间的接触主要研究是实验研究，但实验只能研究有限的粗糙面和阴极接触材料，无法对SOFC阴极接触层与连接体接触情况进行系统地研究。

文献“Dey T,Singdeo D,Bose M,et al.Study of contact resistance at theelectrode–interconnect interfaces in planar type Solid Oxide Fuel Cells[J].Journal of Power Sources,2013,233:290-298.”给出了测量阴极和连接体之间接触电阻的装置，通过施加重物载荷来增加SOFC阴极与连接体之间的增加面积，从而降低两者之间的接触电阻，增大SOFC的输出功率。该方法从实际情况考虑，准确得到了阴极与连接体之间的接触电阻，但是该方法并不适合系统地对接触电阻进行研究，只能针对一种或几种接触材料进行研究，而且该方法繁琐、成本高、周期长。如果能够建立阴极接触电阻的有限元模型，既可以系统研究不同接触材料、不同温度、不同压力、不同表面粗糙度时阴极接触电阻，进而探索影响阴极接触电阻的关键因素及其对阴极接触电阻的影响规律。

上述现有的阴极接触电阻数值模拟方法不仅繁琐、成本高、周期长，而且能够研究的情况有限的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法。

技术方案：本发明的一种固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，包括如下步骤：

(1)、根据W-M分析理论模拟和重构具有分形特性的粗糙表面，形成的该粗糙表面连续且不可微，具有自相似性；W-M分形函数是用于表示随机轮廓的一种典型函数；

(2)、步骤(1)W-M函数得到的粗糙的表面形貌具有不规则性，若直接进行网格划分和有限元计算，需要增加网格数量导致运算量的增加，而且尖锐的接触表面很容易导致接触分析不收敛，影响运算结果，因此不能直接用于有限元的模拟计算，而是需对该粗糙表面进行光滑处理：利用matlab的插值处理，将分形粗糙表面拟合为光滑表面形貌，且得到的相对光滑的粗糙表面并没有改变原来形貌的凹凸程度趋势；

(3)、导出步骤(2)拟合过后的粗糙面的各点坐标数据，利用绘图软件(例如SolidWorks)重构粗糙面，构建含有粗糙面的三维实体；(步骤(1)得到的表面如图1所示，是三维数据图，无法进行实体模拟计算，而步骤(3)所得表面是实体粗糙面)

(4)、构建含有粗糙面的3D实体模型(例如，利用SolidWorks软件进行构建)，在绘图软件中加厚步骤3的粗糙表面，使其成为具有一定厚度的实体结构；

(5)、对构建的3D实体模型进行网格划分；

(6)、根据SOFC阴极接触层的热力物理性能参数(包括杨氏模量、泊松比、热膨胀系数、密度等)建立阴极接触层材料数据库，根据连接体的热力物理性能参数建立连接体材料数据库，将数据库中的材料属性赋予相对应的3D实体模型；

(7)、首先进行热力耦合计算，设置工作温度(SOFC的普遍工作温度为800℃摄氏度或者根据实际情况设置其他温度范围)，载入边界条件；

(8)、在对3D实体模型施加压力载荷之前，由于起初两个粗糙面并不接触，若直接施加载荷，计算不易收敛，很容易报错，因此需要设置两个粗糙面的面接触：第一步，施加小位移，使两个粗糙面接触上；第二步，撤销上一步的小位移，在此基础之上，施加压力载荷，这样的设置，更有利于模型计算的收敛；计算获得受压后的模型和对应的接触面积以及接触应力；

(9)、将步骤(8)所述的受压后的模型导入仿真软件中(例如ABAUQS)，根据阴极接触层和连接体的热电物理性能参数建立相关的材料数据库，数据库主要包括密度和导电率等热电物理性能参数，并进行材料属性赋予，设置工作温度(SOFC的普遍工作温度为800℃)和电压差(例如，在阴极接触层上边界层设置电压1V，在连接体下边界层设置电压0V，保证两者之间的电压差)，计算电流密度，求解接触电阻。

另外一种设置方式是加入电流和一端的电压，通过计算另一端的电压值，来求得两端之间的电压差，最后利用电压差与电流的比值，求解接触电阻。

进一步的，步骤(1)中，基于W-M分形函数的三维分形表面的函数模型有很多，例如公式1所示：

式中：C为尺度系数；D为粗糙面的分形维数，取值范围为(2,3)；α和β为相互独立且服从[0,2π]均匀分布的随机数；n为自然序列数。

进一步的，步骤(5)的具体方法为：将含有粗糙面的3D实体模型导入网格划分软件中，对构建的3D实模型体进行网格划分，在进行的网格划分的过程中，尽量选择六面体结构网格，因为含有粗糙表面，可以使用基于附加块的网格划分，创建反映实体特征的块，确定块上的节点分布，关联块与实体的点线面，把块的节点投影到实体上，这样输出的结构网格质量较高。

进一步的，步骤(7)中在载入边界条件时，连接体的下边界固定不动，对于阴极接触层的上边界，XY运动方向固定不动，绕XYZ轴转动方向固定不动，只留Z方向自由运动。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明模拟的粗糙面可通过设置变量来改变面的粗糙程度和峰值平均高度，可以对多种粗糙面进行模拟仿真，克服了实验方法只能制造一种或者几种粗糙面的局限性。

(2)与现有实验方法相比，本发明更高效、成本更低、更简单、更安全。

(3)本发明能够分析不同因素的耦合影响，揭示阴极接触电池产生机理，实验方法无法实现该功能。

附图说明

图1为本发明模拟生成的粗糙表面图；

图2为本发明构建的含有粗糙表面的3D示意图；

图3为本发明的网格划分结果图；

图4为本发明的有限元计算模型图；

图5为本发明计算的接触界面电流密度结果图；

图6为本发明关键步骤流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

本发明的一种固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，包括如下步骤：

(1)、根据W-M分析理论模拟具有分形特性的粗糙表面，形成的该粗糙表面连续且不可微，具有自相似性；

(2)、对所述步骤(1)构建的粗糙表面进行光滑处理：利用matlab的插值处理，将分形粗糙表面拟合为光滑表面形貌；

(3)、导出步骤(2)拟合过后的粗糙面的各点坐标数据，导入绘图软件中，重构粗糙面；

(4)、构建含有粗糙面的3D实体模型，在绘图软件中加厚步骤(2)的粗糙表面；

(5)、对构建的3D实体模型进行网格划分；

(6)、根据SOFC阴极接触层的热力物理性能参数建立阴极接触层材料数据库，根据连接体的热力物理性能参数建立连接体材料数据库，将数据库中的材料属性赋予相对应的3D实体模型；

(7)、首先进行热力耦合计算，设置工作温度，载入边界条件；

(8)、在对3D实体模型施加压力载荷之前，设置两个粗糙面的面接触：第一步，施加小位移，使两个粗糙面接触上；第二步，撤销上一步的小位移，在此基础之上，施加压力载荷；计算获得受压后的模型和对应的接触面积以及接触应力；

(9)、将步骤(8)所述的受压后的模型导入仿真软件中，根据阴极接触层和连接体的热电物理性能参数建立相关的材料数据库，并进行材料属性赋予，设置工作温度和电压差，计算电流密度，求解接触电阻。

本实施例利用W-M分析理论模拟和重构具有分形特性的粗糙表面，得出的结果如图1所示，然后导出拟合过后的粗糙面的各点坐标数据，利用绘图软件重构图2所示的粗糙面实体，后导入画网格软件中，进行网格划分，网格划分的结果如图3所示，将网格划分过后的实体文件导入有限元计算软件中，如图4所示，进行热力电耦合计算，得出的电流密度的结果如图5所示，根据图5的结果，计算出阴极接触电阻为252.5mΩ·cm²。本发明中的关键步骤展示在图6的流程图中。

第一步、根据图1的结果所示，在通过编程软件模拟和重构具有分形特性的粗糙表面时，由于粗糙表面轮廓形貌的不规则性，若直接进行网格划分和有限元计算，需要增加网格数量导致运算量的增加，而且尖锐的接触表面很容易导致接触分析不收敛，影响运算结果，所以需要后期对粗糙表面进行光滑处理。利用matlab的插值处理，将分形粗糙表面拟合为光滑表面形貌，得到的光滑的粗糙表面并没有改变原来形貌的凹凸程度趋势。

第二步、导出拟合过后的粗糙面的各点坐标数据，利用绘图软件重构粗糙面，构建含有粗糙面的3D实体，得到图2所示的结果。

第三步、将含有粗糙面的3D实体导入网格划分软件中，对构建的3D实体进行网格划分，在进行的网格划分的过程中，尽量选择六面体结构网格，可以使用基于附加块的网格划分，创建反映实体特征的块，确定块上的节点分布，关联块与实体的点线面，把块的节点投影到实体上，这样输出的结构网格质量较高。

第四步、根据SOFC阴极接触层的热电物理性能参数建立阴极接触层材料数据库，根据连接体的热电物理性能参数建立连接体材料数据库，将数据库中的材料属性赋予相对应的三维模型。

第五步、进行热力耦合计算，设置工作温度800℃，载入边界条件，连接体的下边界固定不动，对于阴极接触层的上边界，XY运动方向固定不动，绕XYZ轴转动方向固定不动，只留Z方向自由运动。

第六步、在对模型施加压力载荷之前，需要设置两个粗糙面的面接触。起初两个粗糙面并不接触，若直接施加载荷，计算不易收敛，很容易报错。所以，第一步，需先施加小位移，使两个粗糙面接触上；第二步，撤销上一步的小位移，在此基础之上，施加压力载荷，这样的设置，更有利于模型计算的收敛。计算获得受压后的模型和对应的接触面积以及接触应力。

第七步、通过上述热力耦合计算，得到一定压力后的接触模型，保存该模型，用于下一步的热电耦合计算。

第八步、将受压后的模型导入仿真软件中，设置工作温度为800℃，在阴极接触层上边界层设置电压1V，在连接体下边界层设置电压0V，保证两者之间的电压差，计算电流密度，求解接触电阻，另外一种设置方式是加入电流和一端电压值，通过计算两者之间的电压差来求解接触电阻。

第九步、根据图5的结果，计算出两个粗糙粗糙实体的接触电阻为252.5mΩ·cm²，数值结果与现有实验方法的实验结果相同。

但是本发明的阴极接触电阻的数值模拟方法更为简单、快捷、可靠。

Claims (4)

1.一种固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)、根据W-M分析理论模拟具有分形特性的粗糙表面，形成的该粗糙表面连续且不可微，具有自相似性；

(2)、对所述步骤(1)构建的粗糙表面进行光滑处理：利用matlab的插值处理，将分形粗糙表面拟合为光滑表面形貌；

(3)、导出步骤(2)拟合过后的粗糙面的各点坐标数据，导入绘图软件中，重构粗糙面；

(4)、构建含有粗糙面的3D实体模型，在绘图软件中加厚步骤(3)所得粗糙表面；

(5)、对构建的3D实体模型进行网格划分；

(6)、根据SOFC阴极接触层的热力物理性能参数建立阴极接触层材料数据库，根据连接体的热力物理性能参数建立连接体材料数据库，数据库的热力物理性能参数包括杨氏模量、泊松比、热膨胀系数和密度，将数据库中的材料属性赋予相对应的3D实体模型；

(7)、首先进行热力耦合计算，设置工作温度，载入边界条件；

(8)、在对3D实体模型施加压力载荷之前，设置两个粗糙面的面接触：第一步，施加小位移，使两个粗糙面接触上；第二步，撤销上一步的小位移，在此基础之上，施加压力载荷；计算获得受压后的模型和对应的接触面积以及接触应力；

(9)、接着进行热电耦合计算，将步骤(8)所述的受压后的模型导入仿真软件中，根据阴极接触层和连接体的热电物理性能参数建立相关的材料数据库，数据库的热电物理性能参数包括密度和导电率，并进行材料属性赋予，然后设置工作温度和电压差，计算电流密度，求解接触电阻；

所述步骤(1)中，采用公式(1)进行基于W-M分形函数模拟粗糙表面：

式中：C为尺度系数；D为粗糙面的分形维数，其取值范围为(2，3)；α和β为相互独立且服从[0，2π]均匀分布的随机数；n为自然序列数。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，其特征在于：步骤(5)在进行的网格划分过程中，选择六面体结构网格，并使用基于附加块的网格划分，创建反映实体特征的块，确定块上的节点分布，关联块与实体的点线面，把块的节点投影到实体上，输出高质量的结构网格。

3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，其特征在于：步骤(7)中在载入边界条件时，连接体的下边界固定不动，对于阴极接触层的上边界，XY运动方向固定不动，绕XYZ轴转动方向固定不动，只留Z方向自由运动。

4.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极接触电阻数值模拟方法，其特征在于：步骤(8)中小位移为两者模型最小间距长度的110％-120％。

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