CN117747005B - 一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 - Google Patents
一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117747005B CN117747005B CN202410182752.8A CN202410182752A CN117747005B CN 117747005 B CN117747005 B CN 117747005B CN 202410182752 A CN202410182752 A CN 202410182752A CN 117747005 B CN117747005 B CN 117747005B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- anode
- pile
- cathode
- homogenized
- heat
- 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 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 27
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 60
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 39
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 35
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 4
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 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
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001595 flow curve Methods 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，包括步骤：建立固体氧化物燃料电池电堆三维几何模型；对电堆进行均质化处理，获取均质化电堆几何模型，并等效处理电池单元各部分结构的材料参数；基于均质化电堆几何模型，模拟分析电堆内流体流动情况，分析电堆的进气不均匀度，并根据进气不均匀度对电堆的各层电池单元进行分组；建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型，输出相应的电化学反应质量源和热源；基于均质化电堆几何模型，设置边界条件，并输入质量源和热源，建立电堆多物理场耦合数值模型。本发明通过将电堆进行均质化等效处理得到均质化数值模型，用于电堆数值模拟时计算精度高、计算效率高。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池结构数值模拟技术领域，具体涉及一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）作为新一代的燃料电池，具有效率高、燃料使用灵活、无污染、静音、能量利用效率高、不需要昂贵催化剂等优点，因此在各种燃料电池中脱颖而出，成为代替化石能源的最佳选择。然而，单片SOFC仅能产生0.5-1V的电压，为满足更大的功率，通过将多片SOFC单电池串联并堆叠封装成电堆进行使用，可达到1-10kW甚至更高的功率输出。
由于SOFC电堆内部结构、材料及反应复杂，难以获取全面的试验数据，因此如何准确获取SOFC电堆的运行状态一直是研究的重点和难点。而千瓦级的SOFC电堆，其层数多，其运行过程涉及到内部各种物理场的交互作用以及微米级到米级的跨尺度物理化学现象，如果使用数值计算所有几何细节和物理化学等特性，需要数千万甚至更高数量级数目的控制体积、自由度，如此庞大的计算量，即使使用高性能计算机（HPC）或者超级计算机，依然需要耗费相当大的计算成本。因此，需要对千瓦级固体氧化物燃料电池电堆数值模型进行必要的简化，以便研究电堆发电时的性能和物理量的演化规律，从而进一步理解电堆运行机理，进而进一步对电堆结构进行改进以获取更高效率的电堆。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法。
本发明采用的技术方案为：
一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，包括步骤：
S1、建立固体氧化物燃料电池电堆三维几何模型，所述电堆的中间反应区域由若干层电池单元堆叠而成，所述电堆的外部设置有阳极、阴极气体进气歧管及阳极、阴极气体排气歧管；每层电池单元包括阳极侧连接体、阴极侧连接体及位于阳极侧连接体与阴极侧连接体之间的由阳极、电解质和阴极组成的PEN单元，所述阳极侧连接体、阴极侧连接体上分别设置有阳极气体流道及阴极气体流道；
S2、对电堆进行均质化处理，获取均质化电堆几何模型，并等效处理电池单元各部分结构的材料参数；
S3、基于均质化电堆几何模型，模拟分析电堆内流体流动情况，分析各层电池单元的进气不均匀度，并根据进气不均匀度对电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组；
S4、基于步骤S3所确定的分组情况，建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型，输出相应的单电池单元的电化学反应质量源和热源；
S5、基于均质化电堆几何模型，设置边界条件，并输入步骤S4所得的质量源和热源，建立电堆多物理场耦合数值模型。
进一步地，所述步骤S2包括对PEN单元进行均质化处理，并进行等效计算，具体为：
（1）对PEN单元进行均质化处理，得到均匀PEN单元，并利用等效体积法计算均匀PEN单元的等效材料参数；
均匀PEN单元的等效材料参数通过公式（1）计算：
（1）；
其中，为等效材料参数，为致密材料参数，为体积；
（2）考虑各个方向不同的材料参数，用等效热阻法计算均匀PEN单元的导热系数；
当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为并联热阻；
均匀PEN单元在方向及方向的等效导热系数分别由公式（2）、（3）计算：
（2）；
（3）；
其中，、分别为均匀PEN单元在方向、方向的等效导热系数，、分别
为均匀PEN单元的热量在方向、方向传递的横截面积，、分别为均匀PEN单元的
热量在方向、方向传递的距离，为类型编号，表示阳极，表示阴极，表
示电解质；为总类型数；、分别为阳极或阴极或电解质在方向、方向的导热系
数，、分别为阳极或阴极或电解质在方向、方向传递的横截面积，、
分别为阳极或阴极或电解质的热量在方向、方向传递的距离；
当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为串联热阻，均匀PEN单元在方向的
等效导热系数由公式（4）计算：
（4）；
其中，为均匀PEN单元在方向的等效导热系数，为均匀PEN单元的热量在
方向传递的横截面积，为均匀PEN单元的热量在方向传递的距离，为类型编号，表示阳极，表示阴极，表示电解质；为总类型数，为阳极或阴极或电
解质在方向的导热系数，为阳极或阴极或电解质在方向传递的横截面积，为
阳极或阴极或电解质的热量在方向传递的距离。
进一步地，所述步骤S2包括对设置有阳极、阴极气体流道的阳极、阴极侧连接体进行均质化处理，并进行等效计算，具体为：
（1）对设置有阳极、阴极气体流道的阳极、阴极侧连接体进行均质化处理，得到多孔流道层和支撑板层，并利用孔隙率控制气体流道的体积保持不变；
孔隙率由公式（5）计算：
（5）；
其中，为孔隙率，为气体所占体积，为固体所占体积；
（2）采用等效渗透率表征均质化后的气体流道变化对流体流动产生的影响，采用达西定律求解气体流道均质化后的渗透率，即：
（6）；
其中，为沿流动方向流体压降，为Darcy摩擦系数，为流体密度，为流体
流速，为水力直径，为渗透率，为流体粘度。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
（1）基于均质化电堆几何模型，借助多物理场软件对均质化电堆进行流动模拟分析，采用Navier-Stokes方程描述均质化电堆内部流体流动情况，并设置边界条件，输入流体流动参数，然后求解该均质化电堆中流体分布情况，获得均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量；
（2）根据所获取的均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量，采用进气流量偏差来判断各层的进气均匀程度：
（7）；
其中，为电堆各层电池单元的进气流量偏差，为各层电池单元的实际进气流
量，为各层电池单元进气流量的均值，为电池单元的层数；
（3）根据进气流量偏差，将电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组，且每组电池组中的电池单元的进气流量偏差不超过3%。
进一步地，所述步骤S4具体为：
（1）基于电化学、流动、扩散及传热的耦合关系，建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型；
（2）将不同电池组中的各层电池单元的进气流量均值分别作为不同单电池单元多场耦合模型的进气条件；
（3）分别求解不同进气条件下的单电池单元的氢气、氧气、水蒸气的反应速率，作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的质量源，将求解的电化学反应产热作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的热源。
进一步地，所述步骤S5具体为：
（1）基于均质化电堆几何模型，在多物理场软件中设置流体的流入形式和进气、排气条件，采用Navier-Stokes方程描述电堆进气歧管内的流体流动，采用Brinkman方程描述电堆各层气体流道中的流体流动；
（2）设置阳极和阴极的进气组分，并输入步骤S4所得的质量源，采用Maxwell-Steafan方程描述阳极、阴极气体在进气、排气歧管和气体流道内的传递；
（3）设置电堆工作温度、初始温度、流体流入温度以及电堆表面传热条件，并将步骤S4所得的热源作为PEN单元的非均匀热源输入，采用经典的传热控制方程描述热量在电堆内部的传递；从而得到电堆多物理场耦合数值模型。
本发明的有益效果为：
（1）本发明提供了一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，通过将电堆进行均质化等效处理得到电堆多物理场耦合均质化数值模型，其单电池单元的数值模型与未均质化处理的单电池单元模型相比，计算时间节省了96%，大大降低了计算成本；
（2）另外，将该数值模型利用具有相同参数的电堆进行试验验证，误差在1%以内，其计算精度高，适用于对固体氧化物燃料电堆的进行数值分析研究。
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为固体氧化物燃料电池电堆的结构示意图；
图3为均质化前单电池单元的截面图；
图4为均质化后单电池单元的截面图；
图5为各层电池单元的进气流量曲线；
图6为各层电池单元的进气流量偏差；
图7为由三层电池单元组成的电堆的数值模拟结果与实验结果对比曲线。
图中标注：
1.中间反应区域；2.阳极气体进气歧管；3.阴极气体进气歧管；4.阳极气体排气歧管；5.阴极气体排气歧管；6.阳极侧连接体；7.阴极侧连接体；8.阳极；9.电解质；10.阴极；11.阳极气体流道；12.阴极气体流道；13.均匀PEN单元；14.多孔流道层；15.支撑板层。
具体实施方式
本发明提供了一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，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，本实施例提供一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，针对2kW级交叉流电堆开展研究，电池片层数为60层，建立其在稳定运行下的数值模型，具体步骤如下。
S1、建立固体氧化物燃料电池电堆三维几何模型；具体地，参照图2及图3，电堆的中间反应区域1由60层电池单元堆叠而成，电堆的外部设置有阳极进气歧管2、阴极气体进气歧管3及阳极排气歧管4、阴极气体排气歧管5；每层电池单元包括阳极侧连接体6、阴极侧连接体7及位于阳极侧连接体与阴极侧连接体之间的由阳极8、电解质9和阴极10组成的PEN单元，所述阳极侧连接体、阴极侧连接体上分别设置有阳极气体流道11及阴极气体流道12，阳极侧连接体6、阴极侧连接体7构成双极板。
S2、对电堆进行均质化处理，获取均质化电堆几何模型，其中均质化处理后的单电池单元如图4所示，并等效处理电池单元各部分结构的材料参数；具体为：
（1）对由阳极、电解质、阴极组成的PEN单元进行均质化处理，得到均匀PEN单元13，其提供电化学反应的质量源和热源，并利用等效体积法计算均匀PEN单元的等效材料参数；
均匀PEN单元的等效材料参数通过公式（1）计算：
（1）；
其中，为等效材料参数，为致密材料参数，为体积；若均匀PEN单元为多孔结
构，应考虑固体部分所占的体积；
（2）考虑各个方向不同的材料参数，用等效热阻法计算均匀PEN单元的导热系数；
其中，当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为并联热阻；
均匀PEN单元在方向及方向的等效导热系数分别由公式（2）、（3）计算：
（2）；
（3）；
其中，、分别为均匀PEN单元在方向、方向的等效导热系数，、分别
为均匀PEN单元的热量在方向、方向传递的横截面积，、分别为均匀PEN单元的
热量在方向、方向传递的距离，为类型编号，表示阳极，表示阴极，表
示电解质；为总类型数；、分别为阳极或阴极或电解质在方向、方向的导热系
数，、分别为阳极或阴极或电解质在方向、方向传递的横截面积，、
分别为阳极或阴极或电解质的热量在方向、方向传递的距离；
当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为串联热阻，均匀PEN单元在方向的
等效导热系数由公式（4）计算：
（4）；
其中，为均匀PEN单元在方向的等效导热系数，为均匀PEN单元的热量在
方向传递的横截面积，为均匀PEN单元的热量在方向传递的距离，为类型编号，表示阳极，表示阴极，表示电解质；为总类型数，为阳极或阴极或电
解质在方向的导热系数，为阳极或阴极或电解质在方向传递的横截面积，为
阳极或阴极或电解质的热量在方向传递的距离；
（3）电堆中的阳极、阴极侧连接体一方面提供气流流动的流道，另一方面提供支撑作用，将设置有阳极、阴极气体流道的阳极、阴极侧连接体拆分为作为气体流道的肋和支撑板层两部分，并进行均质化处理，得到多孔流道层14和支撑板层15，并利用孔隙率控制气体流道的体积保持不变，气体部分与固体部分的体积占比即为孔隙率的大小；
孔隙率由公式（5）计算：
（5）；
其中，为孔隙率，为气体所占体积，为固体所占体积；
（4）采用等效渗透率表征均质化前后的气体流道变化对流体流动产生的影响，其大小与流道形状有关，采用达西定律求解气体流道均质化后的渗透率，可通过有限元方法求解；
等效渗透率表达式为：
（6）；
其中，为沿流动方向流体压降，为Darcy摩擦系数，为流体密度，为流体
流速，为水力直径，为渗透率，为流体粘度。
另外，还根据电堆的实际运行状态、实际结构、通入气体参数等，采取必要的近似假设，具体的假设内容如下：电堆内流体均处于层流态；由于SOFC工作温度在600-1000℃，水以气态的形式存在；流体在光滑的流道内流动；忽略SOFC与外界的换热，认为外壁面绝热。
S3、基于均质化电堆几何模型，模拟分析电堆内流体流动情况，分析各层电池单元的进气不均匀度，并根据进气不均匀度对电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组；具体为：
（1）基于步骤S2的均质化电堆几何模型，借助COMSOL Multiphysics多物理场软件对均质化电堆进行流动模拟分析，采用Navier-Stokes方程描述均质化电堆内部流体流动情况，并设置边界条件，输入气体组分及流体流动参数（气体组分及流体流动参数为所要模拟的电堆工艺参数，与下述步骤S5中的一致），然后通过有限元求解该均质化电堆中流体分布情况，获得均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量；
（2）根据所获取的均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量，采用进气流量偏差来判断各层的进气均匀程度：
（7）；
其中，为电堆各层电池单元的进气流量偏差，为各层电池单元的实际进气流
量，为各层电池单元进气流量的均值，为电池单元的层数；
（3）根据进气流量偏差，将电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组，且每组电池组中的电池单元的进气流量偏差不超过3%；
具体到本实施例中，燃料和空气各自从阳极、阴极进气歧管底部进入电堆，并以交叉流的形式进入各层电池单元的内部流道，单个气体流道的横截面积为2x1.5mm2。
本实施例所设置的流体流动参数如表1所示。
表1
经有限元求解，获得均质化电堆中进入各层电池单元的燃料及空气的流量，如图5所示，各层电池单元的燃料及空气的流量偏差，如图6所示。根据图6的各层电池单元的燃料及空气的流量偏差结果，将电堆的第1~16层，第7~28层，29~60层分为3组，每组内部进气流量偏差不超过3%，认为偏差小到足以假设各组电池的进气分布一致。
S4、基于步骤S3所确定的分组情况，建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型，输出相应的单电池单元的电化学反应质量源和热源；具体为：
（1）基于电化学、流动、扩散及传热多个物理场的耦合关系，建立3组不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型；
（2）将不同电池组中的各层电池单元的进气流量均值分别作为不同单电池单元多场耦合模型的进气条件，并采用浓度依赖动力学的Bulter-Volmer公式描述电化学局部电流密度的分布情况，采用Navier-Stokes方程描述流道内的流体流动，采用Brinkman方程描述多孔电极内的流动，采用Maxwell-Steafan方程描述物质在流道和多孔电极中的传递，采用经典传热控制方程描述热量在电池内部的传递；
（3）分别通过有限元求解3组不同进气条件下的单电池单元的氢气、氧气、水蒸气的反应速率分布，作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的3组质量源，将求解的电化学反应产热分布作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的3组热源。
S5、基于均质化电堆几何模型，设置边界条件，并输入步骤S4所得的质量源和热源，建立电堆多物理场耦合数值模型；具体为：
（1）基于均质化电堆几何模型，在COMSOL Multiphysics多物理场软件中设置流体的流入形式和进气、排气条件，采用Navier-Stokes方程描述电堆进气歧管内的流体流动，采用Brinkman方程描述电堆各层气体流道中的流体流动；
具体到本实施例中，燃料和空气经各自进气歧管以交叉流的方式流入电池片，阳极燃料以30L/min的流量流入单电池，阴极空气以90L/min的流量流入单电池，流道出口设置1atm压力；
（2）设置阳极和阴极的进气组分，并输入步骤S4所得的质量源，采用Maxwell-Steafan方程描述阳极、阴极气体在进气、排气歧管和气体流道内的传递；
具体到本实施例中，燃料气以90%H2+10%H2O的组分流入阳极流道，空气以23.5%O2+76.5%N2的组分流入阴极流道，并将步骤S4求解的三组氢气、水蒸气、氧气的反应速率将作为电化学反应的质量源输入，即三组质量源分别为第1~16层，第7~28层，29~60层的质量源；
（3）设置电堆工作温度、初始温度、流体流入温度以及电堆表面传热条件，并将步骤S4所得的热源作为PEN单元的非均匀热源输入，采用经典的传热控制方程描述热量在电堆内部的传递；
具体到本实施例中，设置SOFC电堆工作温度、初始温度、流体流入温度为750℃，认为电池外表面绝热，忽略与外界的辐射换热，PEN作为电化学反应的区域放出热量，热量在阳极、阴极连接体、PEN单元内传递，也通过流体在流动方向传递，并将步骤S4求解的3组电化学反应产热作为PEN的非均匀热源输入，即三组热源分别为第1~16层，第7~28层，29~60层的PEN单元的热源；
（4）基于上述电化学、流动、扩散、传热之间的相互耦合关系，得到电堆多物理场耦合数值模型。
利用上述电堆多物理场耦合数值模型，可以分析多种参数变化对电堆性能的影响规律，可获取体、面、线、点的不同特征，并查看氢气摩尔分数、氧气摩尔分数、水蒸气摩尔分数、速度、压力、温度、温度梯度等结果，以研究电堆发电时的性能和物理量的演化规律。
为验证通过本发明的方法建立的电堆多物理场耦合数值模型的有效性，采用多点温度测量方法对电堆多物理场耦合数值模型进行验证；该步骤具体为：
（1）按照图1的流程建立由三层电压单元组成的SOFC电堆多物理场耦合数值模型，并使用具有相同参数的三层电池单元组成的SOFC电堆对模型进行验证，参数如表2所示。
表2
（2）在炉膛布置1个热电偶（记为T1）测量电堆工作时的环境温度；在阳极进气口、阴极进气口、阳极排气口、阴极排气口布置热电偶，分别记为T2、T3、T4、T5，以测量流体流经电堆的温度变化；此外，为获得电堆反应区域的温度变化情况，在三层电池内部布置热电偶，其中，底层和顶层均在中心处及中心与边缘的二等分位置布置热电偶，中间层电池仅在中心处布置热电偶。具体地，底层中心处热电偶记为T6，底层靠近阴极出口、阳极出口、阳极入口、阴极入口的热电偶分别记为T7、T8、T9、T10，中间层中心处热电偶记为T11，顶层中心处热电偶记为T12，顶层靠近阴极出口、阳极出口、阳极入口、阴极入口的热电偶分别记为T13、T14、T15、T16；
（3）记录下每秒热电偶的数值，待数值稳定后取为电堆稳定运行下的温度值；并利用SOFC电堆多物理场耦合数值模型模拟相同条件下的温度值；
（4）将实验结果与数值模拟结果对比，如图7所示；实验结果与数值模拟结果相差很小，误差不超过1%，吻合良好，证明本发明的建模方法可靠性高、计算精度高。
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 (4)
1.一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，其特征在于，包括步骤：
S1、建立固体氧化物燃料电池电堆三维几何模型，所述电堆的中间反应区域由若干层电池单元堆叠而成，所述电堆的外部设置有阳极、阴极气体进气歧管及阳极、阴极气体排气歧管；每层电池单元包括阳极侧连接体、阴极侧连接体及位于阳极侧连接体与阴极侧连接体之间的由阳极、电解质和阴极组成的PEN单元，所述阳极侧连接体、阴极侧连接体上分别设置有阳极气体流道及阴极气体流道；
S2、对电堆进行均质化处理，获取均质化电堆几何模型，并等效处理电池单元各部分结构的材料参数；
S3、基于均质化电堆几何模型，模拟分析电堆内流体流动情况，分析各层电池单元的进气不均匀度，并根据进气不均匀度对电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组；
S4、基于步骤S3所确定的分组情况，建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型，输出相应的单电池单元的电化学反应质量源和热源；
S5、基于均质化电堆几何模型，设置边界条件，并输入步骤S4所得的质量源和热源，建立电堆多物理场耦合数值模型；
所述步骤S2包括对PEN单元进行均质化处理，并进行等效计算，具体为：
（1）对PEN单元进行均质化处理，得到均匀PEN单元，并利用等效体积法计算均匀PEN单元的等效材料参数，均匀PEN单元的等效材料参数通过公式（1）计算：
（1）；
其中，为等效材料参数，/>为致密材料参数，/>为体积；
（2）考虑各个方向不同的材料参数，用等效热阻法计算均匀PEN单元的导热系数；
当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为并联热阻；均匀PEN单元在/>方向及/>方向的等效导热系数分别由公式（2）、（3）计算：
（2）；
（3）；
其中，、/>分别为均匀PEN单元在/>方向、/>方向的等效导热系数，/>、/>分别为均匀PEN单元的热量在/>方向、/>方向传递的横截面积，/>、/>分别为均匀PEN单元的热量在/>方向、/>方向传递的距离，/>为类型编号，/>表示阳极，/>表示阴极，/>表示电解质；/>为总类型数；/>、/>分别为阳极或阴极或电解质在/>方向、/>方向的导热系数，、/>分别为阳极或阴极或电解质在/>方向、/>方向传递的横截面积，/>、/>分别为阳极或阴极或电解质的热量在/>方向、/>方向传递的距离；
当热量经方向传递时，阳极、电解质、阴极为串联热阻，均匀PEN单元在/>方向的等效导热系数由公式（4）计算：
（4）；
其中，为均匀PEN单元在/>方向的等效导热系数，/>为均匀PEN单元的热量在/>方向传递的横截面积，/>为均匀PEN单元的热量在/>方向传递的距离，/>表示阳极，/>表示阴极，/>表示电解质；/>为总类型数，/>为阳极或阴极或电解质在/>方向的导热系数，/>为阳极或阴极或电解质在/>方向传递的横截面积，/>为阳极或阴极或电解质的热量在/>方向传递的距离；
所述步骤S2包括对设置有阳极、阴极气体流道的阳极、阴极侧连接体进行均质化处理，并进行等效计算，具体为：
（1）对设置有阳极、阴极气体流道的阳极、阴极侧连接体进行均质化处理，得到多孔流道层和支撑板层，并利用孔隙率控制气体流道的体积保持不变，孔隙率由公式（5）计算：
（5）；
其中，为孔隙率，/>为气体所占体积，/>为固体所占体积；
（2）采用等效渗透率表征均质化后的气体流道变化对流体流动产生的影响，采用达西定律求解气体流道均质化后的渗透率，即：
（6）；
其中，为沿流动方向流体压降，/>为Darcy摩擦系数，/>为流体密度，/>为流体流速，为水力直径，/>为渗透率，/>为流体粘度。
2.根据权利要求1所述的一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
（1）基于均质化电堆几何模型，借助多物理场软件对均质化电堆进行流动模拟分析，采用Navier-Stokes方程描述均质化电堆内部流体流动情况，并设置边界条件，输入流体流动参数，然后求解该均质化电堆中流体分布情况，获得均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量；
（2）根据所获取的均质化电堆中进入各层电池单元的流体流量，采用进气流量偏差来判断各层的进气均匀程度：
（7）；
其中，为电堆各层电池单元的进气流量偏差，/>为各层电池单元的实际进气流量，/>为各层电池单元进气流量的均值，/>为电池单元的层数；
（3）根据进气流量偏差，将电堆的各层电池单元进行分组，得到不同进气条件的电池组，且每组电池组中的电池单元的进气流量偏差不超过3%。
3.根据权利要求1所述的一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
（1）基于电化学、流动、扩散及传热的耦合关系，建立不同进气条件下的单电池单元多场耦合模型；
（2）将不同电池组中的各层电池单元的进气流量均值分别作为不同单电池单元多场耦合模型的进气条件；
（3）分别求解不同进气条件下的单电池单元的氢气、氧气、水蒸气的反应速率，作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的质量源，将求解的电化学反应产热作为不同进气条件下的单电池单元电化学反应的热源。
4.根据权利要求1所述的一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
（1）基于均质化电堆几何模型，在多物理场软件中设置流体的流入形式和进气、排气条件，采用Navier-Stokes方程描述电堆进气歧管内的流体流动，采用Brinkman方程描述电堆各层气体流道中的流体流动；
（2）设置阳极和阴极的进气组分，并输入步骤S4所得的质量源，采用Maxwell-Steafan方程描述阳极、阴极气体在进气、排气歧管和气体流道内的传递；
（3）设置电堆工作温度、初始温度、流体流入温度以及电堆表面传热条件，并将步骤S4所得的热源作为PEN单元的非均匀热源输入，采用经典的传热控制方程描述热量在电堆内部的传递；从而得到电堆多物理场耦合数值模型。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410182752.8A CN117747005B (zh) | 2024-02-19 | 2024-02-19 | 一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410182752.8A CN117747005B (zh) | 2024-02-19 | 2024-02-19 | 一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117747005A CN117747005A (zh) | 2024-03-22 |
| CN117747005B true CN117747005B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=90257781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410182752.8A Active CN117747005B (zh) | 2024-02-19 | 2024-02-19 | 一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117747005B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1267923A (zh) * | 1999-03-17 | 2000-09-27 | 苏舍赫克希斯公司 | 在电池堆的外周边带有后燃烧的燃料电池组 |
| CN115312815A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-08 | 西安交通大学 | 空气冷却质子交换膜燃料电池电堆的电化学性能计算方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6979578B2 (en) * | 2002-08-13 | 2005-12-27 | Lam Research Corporation | Process endpoint detection method using broadband reflectometry |
-
2024
- 2024-02-19 CN CN202410182752.8A patent/CN117747005B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1267923A (zh) * | 1999-03-17 | 2000-09-27 | 苏舍赫克希斯公司 | 在电池堆的外周边带有后燃烧的燃料电池组 |
| CN115312815A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-08 | 西安交通大学 | 空气冷却质子交换膜燃料电池电堆的电化学性能计算方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Parameter identification of proton exchange membrane fuel cell model based on improved grey wolf algorithm;Shaoqin Lu等;2023 3rd International Conference on Energy, Power and Electrical Engineering (EPEE);20231225;全文 * |
| 低温半导体热电堆内部温度分布的动态特性分析;王华军, 雷廷宙;节能技术;20030425(第04期);全文 * |
| 基于高斯过程回归的锂离子电池健康状态和剩余寿命预测方法研究;冯雪;中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑;20200630(第06期);第A002-345页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117747005A (zh) | 2024-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111180767B (zh) | 具有流体不均匀分配效应的燃料电池堆建模方法 | |
| CN111625929B (zh) | 一种多物理场耦合作用下sofc数值模拟方法 | |
| Fontana et al. | Study of the effects of flow channel with non-uniform cross-sectional area on PEMFC species and heat transfer | |
| Schluckner et al. | Numerical analysis of flow configurations and electrical contact positions in SOFC single cells and their impact on local effects | |
| Chen et al. | Physics field distributions within fuel cell stacks with manifolds penetrating through the plane zone and open outlet features | |
| Zhang et al. | Numerical study on electric characteristics of solid oxide fuel cells | |
| Liu et al. | Multi-objective optimization of proton exchange membrane fuel cell geometry and operating parameters based on three new performance evaluation indexes | |
| Moreno-Blanco et al. | On the effect of gas channels-electrode interface area on SOFCs performance | |
| Xiong et al. | Three-dimensional multi-physics modelling and structural optimization of SOFC large-scale stack and stack tower | |
| Lee et al. | Studies on the effect of flow configuration on the temperature distribution and performance in a high current density region of solid oxide fuel cell | |
| CN114551937B (zh) | 一种燃料电池的性能检测系统及方法 | |
| Ding et al. | Momentum-species-heat-electrochemistry distribution characteristics within solid oxide fuel cell stack with complex inter-digital fuel channels | |
| Dai et al. | Study the flow and species distribution characteristics in a typical 25-cell proton ceramic fuel cell stack by 3D large-scale modeling | |
| Hazar et al. | A comparative analysis of a novel flow field pattern with different channel size configurations | |
| Chi et al. | Numerical simulation acceleration of flat-chip solid oxide cell stacks by data-driven surrogate cell submodels | |
| Zhang et al. | Numerical optimization of obstacles channel geometry for solid oxide fuel cells | |
| Chen et al. | Development of flow field plates based on asymmetric leaf structure for PEM fuel cells | |
| CN117747005B (zh) | 一种千瓦级固体氧化物燃料电池电堆的均质化建模方法 | |
| Yuan et al. | Numerical analysis of temperature and current density distribution of a planar solid oxide fuel cell unit with nonuniform inlet flow | |
| Dang et al. | Multiphysics coupling simulation and parameter study of planar solid oxide fuel cell | |
| Wang et al. | Modeling of HTPEM Fuel Cell Start-Up Process by Using Comsol Multiphysics | |
| Fan et al. | Effect of flow modes on operation characteristics of three‐dimensional non‐isothermal solid oxide fuel cell stack | |
| CN117744438B (zh) | 基于数据驱动的燃料电池堆变尺度建模仿真方法及系统 | |
| Kumar et al. | Numerical investigation of a novel rhombohedral interconnector configuration for planar solid oxide fuel cells | |
| Mounir et al. | Thermo-fluid and electrochemical modeling of a multi-bundle IP-SOFC–Technology for second generation hybrid application |
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 |