CN117592224B - 一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 - Google Patents
一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117592224B CN117592224B CN202410077848.8A CN202410077848A CN117592224B CN 117592224 B CN117592224 B CN 117592224B CN 202410077848 A CN202410077848 A CN 202410077848A CN 117592224 B CN117592224 B CN 117592224B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solid oxide
- oxide fuel
- flow channel
- fuel cell
- cathode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 107
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 95
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title abstract description 5
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 46
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 22
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 19
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 6
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 19
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000002355 dual-layer Substances 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C20/00—Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
- G16C20/10—Analysis or design of chemical reactions, syntheses or processes
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/08—Fluids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Algebra (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，包括步骤：（1）建立固体氧化物燃料电池三维模型，将三维模型导入有限元分析软件中，建立电化学‑气体流动‑物质传递‑温度相耦合的多物理场模型；（2）确定影响固体氧化物燃料电池性能的柔性双极板结构的几何因素；（3）根据所确定的影响因素，获取不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线；（4）分析步骤（3）的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线，选择能够使固体氧化物燃料电池电化学性能增加且热应力降低的柔性双极板结构参数。本发明通过对柔性双极板结构进行优化，能够提升燃料电池的电化学性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池双极板设计技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）作为新一代发电技术，其能量转换率高、燃料适应性广、预热利用价值高，因采用全固态电池结构，可以避免腐蚀、电解液流失及爆炸等风险，是一种具有较好应用前景的新能源发电技术。
SOFC工作温度为600~800℃，较其他燃料电池高，因此其在高温作用下的结构强度成为了决定SOFC 能否长期运行的重要因素。长期高温服役环境下，电池的多层结构及温度梯度的存在会使电堆内部产生较大的热应力，热应力的存在会导致材料产生蠕变疲劳损伤、变形及电化学性能衰减，并萌生微孔洞，导致燃料电池系统的退化，甚至是电堆的突然失效，致使寿命退化严重。因此，SOFC电堆的完整性和寿命与电堆内部应力-应变等力学行为直接相关。而双极板作为燃料电池电堆的关键部件在燃料电池中起到分配燃料气体、收集电流等多种作用，既保证了电堆结构的稳定性，同时起着隔绝燃料气体与氧化剂并及时传导电子和热量的作用，其性能优劣直接影响着电池的输出功率及长寿命。传统的双极板肋板结构如图2所示，是实心结构，双极板质量占整个电堆的80%以上，电堆重量大、刚性大、成本高，难以满足电池长寿命及商业化要求。双极板的几何结构不理想而引起较大的极化损失是致使电堆性能下降的主要原因。为提升SOFC的电化学性能并降低热应力，可以通过优化双极板结构来完成。基于此，本发明提出了一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法。
本发明采用的技术方案为：
一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，包括步骤：
（1）建立固体氧化物燃料电池三维模型，将固体氧化物燃料电池三维模型导入有限元分析软件中，建立电化学-气体流动-物质传递-温度相耦合的多物理场模型；
（2）确定影响固体氧化物燃料电池性能的柔性双极板结构的几何因素；
（3）根据步骤（2）所确定的影响因素，获取不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线；
（4）分析步骤（3）的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线，并选择能够使固体氧化物燃料电池电化学性能加且热应力降低的柔性双极板的结构参数。
进一步地，所述步骤（1）中所述固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池单元；每层电池单元包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的电解质、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板，柔性双极板上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道，阴极侧相邻肋板间为阴极流道，所述阴、阳极流道设有倾角，且相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道。
进一步地，所述柔性双极板上的阴、阳极流道均等间距分布，且阴、阳极流道的截面为梯形。
进一步地，所述降温流道内通入具有降温作用的气体。
进一步地，所述步骤（2）中所确定的影响因素包括：
柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，用于调节固体氧化物燃料电池的接触电阻；
阴、阳极流道的倾角a，用于增加电极的利用面积；
柔性双极板的厚度z，用于调整柔性双极板的面积；
降温流道，用于维持固体氧化物燃料电池内部的温度恒定。
进一步地，所述步骤（3）具体包括：
（31）设定不同的柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同比值w/l下的温度分布曲线；
（32）设定不同的阴、阳极流道的倾角a，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同倾角a下的温度分布曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取不同倾角a下的固体氧化物燃料电池的极化曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取阳极、阴极、电解质及柔性双极板的热应力分布曲线；
（33）设定不同的阳极侧、阴极侧柔性双极板厚度z，模拟计算并获取不同厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线；
（34）对包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池进行模拟计算，并获取包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线。
进一步地，所述步骤（4）具体包括：
（41）根据步骤（31）所获取的不同柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l下的温度分布曲线，选取温度分布高的曲线所对应的比值作为柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围；
（42）根据步骤（32）所获取的不同的阴、阳极流道的倾角a下的温度分布曲线、极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑温度分布、电化学性能及热应力分布确定阴、阳极流道的最佳倾角范围；
（43）根据步骤（33）所获取的不同柔性双极板厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑电化学性能及热应力分布确定柔性双极板的最佳厚度范围；
（44）根据步骤（34）所获取的包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线，分析设置降温流道后固体氧化物燃料电池的电化学性能是否增加，若增加，则说明增加降温流道能有效提升电池的电化学性能，若降低，则说明降温流道不能有效提升电池的电化学性能，则无需设置降温流道。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，能够根据所采取的柔性双极板结构，确定影响固体氧化物燃料电池性能的几何因素，并利用有限元分析软件分析不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或热应力分布曲线和/或极化曲线，进而通过综合分析温度分布、电化学性能及热应力分布情况对柔性双极板结构进行优化，确定柔性双极板结构的最佳结构参数，从而提升固体氧化物燃料电池的电化学性能并降低热应力。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为背景技术中具有传统双极板结构的固体氧化物燃料电池的结构示意图；
图3为具有本发明的柔性双极板结构的固体氧化物燃料电池的结构示意图；
图4为柔性双极板的结构示意图；
图5为不同柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l下的流道的温度分布曲线；
图6为不同的阴、阳极流道的倾角a下的流道的温度分布曲线；
图7为不同的阴、阳极流道的倾角a下的燃料电池的极化曲线；
图8为不同的阴、阳极流道的倾角a下的燃料电池的热应力分布曲线；
图9为不同柔性双极板厚度z下的燃料电池的极化曲线；
图10为同柔性双极板厚度z下的燃料电池的电解质热应力分布曲线；
图11为包含传统双极板结构的双层固体氧化物燃料电池结构示意图；
图12为包含柔性双极板结构的双层固体氧化物燃料电池结构示意图；
图13为具有传统双极板结构及柔性双极板双层、三层固体氧化物燃料电池结构的极化曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参照图1，本实施例提供一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，包括步骤：
（1）建立固体氧化物燃料电池三维模型，将固体氧化物燃料电池三维模型导入COMSOL Multiphysic有限元分析软件中，建立基于电化学-气体流动-物质传递-温度相耦合的多物理场模型。
如图3、图4所示，该步骤（1）中所建立的固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池片；每层电池片均包括若干个电池单元，每个电池单元均包括阳极1、阴极2、位于阳极与阴极之间的电解质3、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板4；柔性双极板4上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道5，阴极侧相邻肋板间为阴极流道6，且所述柔性双极板上的阴、阳极流道均等间距分布，所述阴、阳极流道设有倾角且阴、阳极流道的截面为正梯形；另外，相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道7；上述阳极流道为燃料流道，用于通入燃料气体，如氢气；上述阴极流道为空气流道，用于通入空气；上述降温流道用于通入具有降温作用的气体，可采用空气。
（2）确定影响固体氧化物燃料电池性能的柔性双极板结构的几何因素；所述步骤（2）中所确定的影响因素包括：
柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，用于调节固体氧化物燃料电池的接触电阻；
阴、阳极流道的倾角a，用于增加电极的利用面积；
柔性双极板的厚度z，用于调整柔性双极板的面积；
降温流道，用于维持固体氧化物燃料电池内部的温度恒定。
（3）根据步骤（2）所确定的影响因素，采用有限元软件模拟并获取不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和/或电解质热应力分布曲线和/或极化曲线。
该步骤（3）具体包括：
（31）设定不同的柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同比值w/l下的温度分布曲线；
（32）设定不同的阴、阳极流道的倾角a，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同倾角a下的温度分布曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取不同倾角a下的固体氧化物燃料电池的极化曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取不同倾角a下阳极、阴极、电解质及柔性双极板的热应力分布曲线；
（33）设定不同的阳极侧、阴极侧柔性双极板厚度z，模拟计算并获取不同厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及电解质热应力分布曲线；
（34）对包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池进行模拟计算，并获取包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线。
（4）分析步骤（3）的温度分布曲线和/或电解质热应力分布曲线和/或极化曲线，并选择能够使固体氧化物燃料电池电化学性能增加且热应力降低的柔性双极板的结构参数。
该步骤（4）具体包括：
（41）根据步骤（31）所获取的不同柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l下的温度分布曲线，选取温度分布高的曲线所对应的比值作为柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围；
（42）根据步骤（32）所获取的不同的阴、阳极流道的倾角a下的温度分布曲线、极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑温度分布、电化学性能及热应力分布确定阴、阳极流道的最佳倾角范围；
（43）根据步骤（33）所获取的不同柔性双极板厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及电解质热应力分布曲线，综合考虑电化学性能及热应力分布确定柔性双极板的最佳厚度范围；
（44）根据步骤（34）所获取的包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线，分析设置降温流道后固体氧化物燃料电池的电化学性能是否增加，若增加，则说明增加降温流道能有效提升电池的电化学性能，若降低，则说明降温流道不能有效提升电池的电化学性能，则无需设置降温流道。
在本发明的具体实施例中，在实际有限元模拟计算过程中，由于固体氧化物燃料电池是由若干层电池片堆叠而成，每层电池片又由若干个电池单元组成，因此模拟整个固体氧化物燃料电池计算量庞大，为加快模型计算时间，提高求解效率，取其中的一个电池单元来进行有限元模拟，然后通过对称边界条件即可模拟整个固体氧化物燃料电池的状况。
本实施例中，在确定阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围时，设置w/l为0.5、1.0、1.5，并选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同比值w/l下的温度分布曲线，如图5所示。根据图5，选取温度分布高的曲线所对应的比值作为柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围，为1.0~1.5，最佳比值为1.5。本实施例中选择温度分布高的曲线，是因为温度提升可以促进气体在电极内部的传输，加快电池的电化学反应效率。另外，不同阴、阳极流道的宽度与肋宽比值下，燃料电池的热应力差异很小，在确定阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围时，主要通过温度分布曲线确定。
本实施例中，在确定阴、阳极流道的最佳倾角范围时，设置a在0~45°取值，其不同倾角a下的温度分布曲线如图6所示，极化曲线如图7所示。从图6中可以看出，随倾角增加，温度差异不大，温度最大相差1.2%，因此温度变化的效果可以忽略不计；从图7中可以看出，极化曲线分布在较低工作电压下差距较大，在0.6V-0.7V工作电压下，电流密度差值最大为35%，而且随倾角增加，电流密度降低，因此需要选择小倾角，且倾角在5-10°时，电流密度近乎一致，只相差1.9%，柔性双极板结构的倾角范围选取5-10°为优。另外，在模拟计算热应力分布时，固体氧化物燃料电池的热应力分布一般使用第一主应力描述。虽然von Mises应力考虑了可以显示应力分布的第一、第二和第三主应力，但是它更适合于塑性材料的分析。对于研究SOFC弹性材料中的热应力分析，第一主应力分布更适合。第一主应力有助于理解材料中引起的最大拉伸应力，正值表示拉伸应力，负值表示压缩应力。图8给出固体氧化物燃料电池各部件（即阴极、阳极、电解质及柔性双极板）的第一主应力中最大拉应力分布图，可以看出相较于传统的双极板结构（倾角为0°），转变为柔性双极板结构后，倾角在5°时，阳极、阴极、电解质处最大拉应力最大降低12%、增加4%、降低15%，在倾角5°之后，随倾角增大，PEN结构（阳极-电解质-阴极）的最大拉应力有一定幅度的增加，但增幅不大，综合考量温度、电流密度与第一主应力分布，阳极、阴极流道倾角范围选取5-10°最佳。
本实施例中，在确定柔性双极板厚度z时，设定标准参考尺寸为阳极侧柔性双极板厚度为0.2mm，阴极侧柔性双极板厚度为0.2mm，材料选择为Crofer 22APU，设定情况A、B分别为：阳极侧柔性双极板厚度增加0.1mm、0.2mm，情况C：阴极侧柔性双极板厚度增加0.1mm。首先，模拟计算情况A、C下电池的极化曲线分布，如图9所示，从该图中可以看出，阳极侧柔性双极板厚度增加时，电压在0-0.7V下电化学性能提升，最大增加6.4%；阴极侧柔性双极板厚度增加时，电化学性能变化不大。然后在获得柔性双极板厚度z的增加方向后，再分析情况A、B下，热应力最大的电解质部件的应力分布情况，如图10所示，从该图中可以看出，增加阳极侧双极板厚度，电解质处第一主应力（在固体氧化物燃料电池各部件中，电解质的应力最大，为最易损坏部件，因此，本实施例在此仅研究了电解质处的应力分布）均减小，且随着厚度增加，电解质应力减小更明显，但实际应用中双极板厚度不能一直增加，因为双极板的制造为两个单板焊接为一个双极板，如图3所示，双极板的厚度不应高于气体通道的高度h，考虑实际应用，选择双极板单板的厚度范围应当小于1/2h，因此，综合考虑增加阳极侧柔性双极板厚度，当流道高度为1mm时，选择增加阳极侧柔性双极板厚度0.1~0.2mm，优选为0.2mm。
本实施例中，为验证降温流道对固体氧化物燃料电池的电化学性能影响，还进行如下对比模拟。首先，柔性双极板间的降温流道相较于传统双极板结构，仅分析单个电池单元时存在局限性的，降温流道的作用未有效体现，因此，如图11所示，设置包含传统双极板结构的双层固体氧化物燃料电池结构示意图，如图12所示，设置包含柔性双极板结构的双层固体氧化物燃料电池结构示意图，以图11和图12为研究模型，进行模拟计算，获取传统双极板结构及柔性双极板双层、三层结构的极化曲线分布图，如图13所示，双层、三层柔性结构电化学性能基本一致，均相较于传统结构有所提升，电流密度及功率密度分别增加11.7%，6.8%，说明增加降温流道可以有效提升电堆的电化学性能，并延长电堆的寿命。
基于上述模拟分析，确定固体氧化物燃料电池柔性双极板的几何参数为：
阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l取1.0~1.5，最佳为1.5；
阴、阳极流道的倾角a取5~10°；
柔性双极板的厚度z取阳极侧柔性双极板厚度为0.4mm，阴极侧柔性双极板厚度为0.2mm。
需要说明的是，本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，包括步骤：
（1）建立固体氧化物燃料电池三维模型，将固体氧化物燃料电池三维模型导入有限元分析软件中，建立电化学-气体流动-物质传递-温度相耦合的多物理场模型；
（2）确定影响固体氧化物燃料电池性能的柔性双极板结构的几何因素；
（3）根据步骤（2）所确定的影响因素，获取不同影响因素下的固体氧化物燃料电池的温度分布曲线和热应力分布曲线和极化曲线；
（4）分析步骤（3）的温度分布曲线和热应力分布曲线和极化曲线，并选择能够使固体氧化物燃料电池电化学性能增加且热应力降低的柔性双极板的结构参数；
所述步骤（1）中所述固体氧化物燃料电池三维几何模型包括若干层堆叠的电池片；每层电池片包括阳极、阴极、位于阳极与阴极之间的电解质、位于阳极外侧、阴极外侧的柔性双极板，柔性双极板上设置有若干条肋板，阳极侧相邻肋板间为阳极流道，阴极侧相邻肋板间为阴极流道，所述阴极流道、阳极流道设有倾角，且相邻两个电池单元堆叠后在相邻两个柔性双极板之间形成降温流道；
所述步骤（2）中所确定的影响因素包括：
柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，用于调节固体氧化物燃料电池的接触电阻；
阴、阳极流道的倾角a，用于增加电极的利用面积；
柔性双极板的厚度z，用于调整柔性双极板的面积；
降温流道，用于维持固体氧化物燃料电池内部的温度恒定；
所述步骤（3）具体包括：
（31）设定不同的柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同比值w/l下的温度分布曲线；
（32）设定不同的阴、阳极流道的倾角a，并在步骤（1）所建立的固体氧化物燃料电池三维模型中选取其中一条阳极流道或阴极流道的中部且沿其流道深度方向为研究路径，模拟计算并获取不同倾角a下的温度分布曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取不同倾角a下的固体氧化物燃料电池的极化曲线；设定不同的阴、阳极流道的倾角a，模拟计算并获取阳极、阴极、电解质及柔性双极板的热应力分布曲线；
（33）设定不同的阳极侧、阴极侧柔性双极板厚度z，模拟计算并获取不同厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线；
（34）对包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池进行模拟计算，并获取包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线；
所述步骤（4）具体包括：
（41）根据步骤（31）所获取的不同柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的比值w/l下的温度分布曲线，选取温度分布高的曲线所对应的比值作为柔性双极板阴、阳极流道的宽度与肋宽的最佳比值范围；
（42）根据步骤（32）所获取的不同的阴、阳极流道的倾角a下的温度分布曲线、极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑温度分布、电化学性能及热应力分布确定阴、阳极流道的最佳倾角范围；
（43）根据步骤（33）所获取的不同柔性双极板厚度z下的固体氧化物燃料电池的极化曲线及热应力分布曲线，综合考虑电化学性能及热应力分布确定柔性双极板的最佳厚度范围；
（44）根据步骤（34）所获取的包含降温流道及不包含降温流道的固体氧化物燃料电池的极化曲线，分析设置降温流道后固体氧化物燃料电池的电化学性能是否增加，若增加，则说明增加降温流道能有效提升电池的电化学性能，若降低，则说明降温流道不能有效提升电池的电化学性能，则无需设置降温流道。
2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述柔性双极板上的阴、阳极流道均等间距分布，且阴、阳极流道的截面为梯形。
3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法，其特征在于，所述降温流道内通入具有降温作用的气体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410077848.8A CN117592224B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410077848.8A CN117592224B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117592224A CN117592224A (zh) | 2024-02-23 |
| CN117592224B true CN117592224B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=89917020
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410077848.8A Active CN117592224B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117592224B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118465564B (zh) * | 2024-07-11 | 2024-09-24 | 中国石油大学(华东) | 一种固体氧化物燃料电池服役寿命预测和优化方法 |
| CN118655011B (zh) * | 2024-08-16 | 2024-10-29 | 中国石油大学(华东) | 冷热循环过程中sofc双极板蠕变疲劳寿命预测方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020039453A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY MADRAS (IIT Madras) | Tubular pem fuel cell and cell stack thereof |
| CN112582635A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-30 | 南京航空航天大学 | Pemfc双极板流道截面的优化方法及三维质子交换膜燃料电池 |
| CN113946995A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-18 | 上海神力科技有限公司 | 一种多目标燃料电池冷却流道优化设计方法 |
| CN116467913A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-07-21 | 西南石油大学 | 一种固体氧化物燃料电池的数值模拟方法 |
| CN116845286A (zh) * | 2022-03-23 | 2023-10-03 | 上海交通大学 | 基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法 |
-
2024
- 2024-01-19 CN CN202410077848.8A patent/CN117592224B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020039453A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | INDIAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY MADRAS (IIT Madras) | Tubular pem fuel cell and cell stack thereof |
| CN112582635A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-30 | 南京航空航天大学 | Pemfc双极板流道截面的优化方法及三维质子交换膜燃料电池 |
| CN113946995A (zh) * | 2021-10-18 | 2022-01-18 | 上海神力科技有限公司 | 一种多目标燃料电池冷却流道优化设计方法 |
| CN116845286A (zh) * | 2022-03-23 | 2023-10-03 | 上海交通大学 | 基于重卡的三维非等温质子交换膜燃料电池优化冷却方法 |
| CN116467913A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-07-21 | 西南石油大学 | 一种固体氧化物燃料电池的数值模拟方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 不同流道形式的固体氧化物燃料电池性能分析;王珂;褚展鹏;王永庆;李星辰;陈伟;;电源技术;20200820(08);全文 * |
| 不同集流方式下对称双阴极固体氧化物燃料电池的电-化-热-力数值模拟及失效分析;俞成荣;朱建国;周晔欣;张红英;蒋聪盈;谷宇晨;官万兵;;力学季刊;20200921(03);全文 * |
| 燃料电池电堆设计开发关键技术;王茁;曹婷婷;曲英雪;米新艳;崔新然;张克金;;汽车文摘;20200929(10);全文 * |
| 燃料电池电堆设计开发关键技术;王茁等;《汽车文摘》;20200929(第10期);57-62页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117592224A (zh) | 2024-02-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117592224B (zh) | 一种固体氧化物燃料电池柔性双极板结构优化设计方法 | |
| CN112133937B (zh) | 质子交换膜燃料电池流道结构及质子交换膜燃料电池 | |
| CN109830732B (zh) | 一种不对称平板型结构高温固态燃料电池的电堆结构 | |
| US20090169930A1 (en) | Fuel cell separator and fuel cell stack and reactant gas control method thereof | |
| CN210576257U (zh) | 一种具有弹性与隔热端板机构的空冷燃料电池 | |
| CN101789511A (zh) | 一种集成流场结构的膜电极组件及其燃料电池 | |
| CN111564644A (zh) | 一种小功率的高温质子交换膜燃料电池电堆 | |
| CN112928321B (zh) | 一种液流电池结构 | |
| KR20160136409A (ko) | 연료 전지 또는 전해조 전지 스택을 위한 접촉 방법 및 배열체 | |
| CN107611464A (zh) | 一种可插拔式固体氧化物燃料电池堆结构 | |
| US20110039187A1 (en) | Manufacturing Method of Solid Oxide Fuel Cell | |
| KR101353839B1 (ko) | 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지 | |
| KR101595225B1 (ko) | 금속 분리판과 공기극 집전체 간 접촉 저항이 저감된 고체산화물 연료전지 | |
| CN115911468A (zh) | 一种提高燃料电池发电效率的操作条件寻优方法 | |
| JP2012099382A (ja) | 燃料電池用セパレータ、燃料電池 | |
| CN201689934U (zh) | 一种集成流场结构的膜电极组件 | |
| US20110039186A1 (en) | Disc Type Solid Oxide Fuel Cell | |
| CN207852818U (zh) | 一种可插拔式固体氧化物燃料电池堆结构 | |
| JP2009266458A (ja) | 燃料電池の製造方法 | |
| KR101228763B1 (ko) | 반응 면적이 증가된 평판형 고체산화물 연료전지 및 그의 제조방법 | |
| CN221427788U (zh) | 一种固体氧化物燃料电池的新型连接体结构及燃料电池 | |
| CN113270608B (zh) | 利于流体分配的质子交换膜燃料电池金属双极板 | |
| KR101451838B1 (ko) | 용융탄산염 연료전지 및 그 연료전지의 집전판 제조 방법 | |
| KR20130108660A (ko) | 고체 산화물 연료 전지 스택 | |
| CN117709287B (zh) | 高效率固体氧化物燃料电池柔性双极板尺寸优化设计方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |