摘 要

汽车是人们目前最常用的出行工具，但燃油汽车的大量使用造成了全球能源危机与环境污染等问题，因此新能源汽车迎来了发展机遇。在各种汽车新能源中，燃料电池很有应用前景，其中的固体氧化物燃料电池极具潜力，已经被广泛运用在电动汽车当中。

本文的研究对象——用于电动汽车增程器的固体氧化物燃料电池，属于高温燃料电池，其工作温度相比其它类型的燃料电池高很多，所以该电池的热场分布研究非常重要。论文首先介绍了燃料电池的发展历程、应用现状以及国内外关于燃料电池温度分布的一些前沿研究，之后详细描述其分类、结构和电化学原理，在此基础上利用COMSOL软件建立了平板式固体氧化物燃料电池的单电池模型，通过文献资料设定其各项参数值与初始边界条件。最后仿真分析电池流体通道截面、流体流向、电解质及两电极板厚度、流体流速对燃料电池整体温度分布和输出性能的影响，并得出了结论。

关键词：固体氧化物燃料电池；温度场分布；有限元分析；多物理场耦合

Abstract

Automobiles are one of the most commonly used convenient travel tools. However, the extensive use of traditional fuel vehicles has caused global energy crisis, environmental pollution and other problems. Therefore, new energy vehicles have ushered in development opportunities. Among various new energy sources for automobiles, fuel cells have great application prospects, and solid oxide fuel cells (SOFC), which are third-generation fuel cells, have great potential and have been used in electric vehicles.

Range-extender electric vehicle's range extender can use the solid oxide fuel cell. As it is a high-temperature fuel cell, its operating temperature is much higher than that of other types of fuel cells, so the research on the thermal field distribution of the SOFC is of great importance. This paper first introduces the development of fuel cells, their application status and some cutting-edge research on fuel cell temperature distribution at home and abroad, and then describes its classification, structure and electrochemical principle in detail. Based on this, a single-cell model of flat plate SOFC is established by using COMSOL software. The single-cell model of SOFC is determined by literature data to define its parameter values ​​and initial boundary conditions. Finally, the effects of cell fluid channel cross section, fluid flow direction, electrolyte and two electrode plate thickness, fluid flow rate on the overall temperature distribution and output performance of the fuel cell were simulated and analyzed, and the conclusions were drawn.

Key Words: SOFC; thermal field distribution; finite element analysis; multi-physics coupling

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外的发展现状 2

1.2.1国外发展现状 2

1.2.2国内发展现状 4

1.3研究的基本内容、目标及技术方案 5

第2章 固体氧化物燃料电池概述 7

2.1燃料电池介绍 7

2.2固体氧化物燃料电池的分类 9

2.2.1管式固体氧化物燃料电池 9

2.2.2瓦楞式固体氧化物燃料电池 10

2.2.3平板式固体氧化物燃料电池 10

2.3固体氧化物燃料电池各部件的材料 13

2.3.1阳极材料 13

2.3.2电解质材料 13

2.3.3阴极材料 14

2.3.4连接板材料 14

2.4固体氧化物燃料电池基本工作原理 14

2.5能斯特势与吉布斯自由能 15

2.6燃料电池的极化 17

2.6.1活化极化 17

2.6.2浓差极化 18

2.6.3欧姆极化 19

2.7本章小结 19

第3章 固体氧化物燃料电池模型的建立 20

3.1模型假设 20

3.2电堆几何结构与单电池模型 20

3.3模型网格划分 24

3.4模型各项参数的确定 25

3.5单电池数学模型及方程 26

3.5.1质量传递方程 26

3.5.2组分传递方程 26

3.5.3动量传递方程 27

3.5.4电荷传递方程 28

3.5.5热量传递方程 29

3.6本章小结 30

第4章 模型仿真计算与研究分析 31

4.1燃料电池模型的仿真计算结果 31

4.2燃料电池温度分布的综合分析 33

4.2.1流体流向的影响 33

4.2.2气体通道结构的影响 36

4.2.3燃料电池阳极厚度的影响 40

4.2.4燃料电池阴极厚度的影响 42

4.2.5燃料电池电解质厚度的影响 46

4.2.6流体流速的影响 49

4.3本章小结 52

第5章 结论与展望 54

参考文献 56

附 录 58

致 谢 60

第1章 绪论

本章首先通过联系现实介绍了该课题研究的时代背景与意义，之后概述目前国内外相关研究的进展与成果，随后给出了研究的基本内容、目标、采用的技术方案措施等。

1.1课题研究背景及意义

随着人民生活水平的显著提高，汽车作为一种方便快捷的出行工具，它在人们的日常生活中正扮演着愈发重要的角色，汽车的使用量也越来越大。但是这同时也带来了一些问题，特别是全球能源危机和环境污染现象。众所周知，石油资源是相对有限的，在人们将近数百年来的大肆开采和利用下，临近枯竭的石油资源现在已经开始制约汽车工业甚至是整个经济社会的发展速度。同时人类在大范围使用石油资源时会排放出大量的污染物，对世界生态环境造成了极其恶劣的影响，最终还会危害到自身的生存。为了解决上述能源、环境问题，世界各国纷纷投入大量人力物力研究开发新型能源，推动发展电动汽车来替代传统的以石油为动力的汽车，现有的新能源汽车有很多类型，如纯电动汽车、增程式电动汽车、燃料电池电动汽车等。石油产品例如汽油、柴油等燃料燃烧后会产生许多酸性气体（二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等），它们进入大气后会诱发酸雨的形成，其中的二氧化碳气体还是引起温室效应的罪魁祸首，因此新能源领域的相关研究显得特别重要与迫切。相比传统的石油汽车，采用新能源技术的电动汽车有节能、环保、能量利用率高等优点，所以新能源如果能够得到极大推广，将有助于缓解现今日益突出的能源危机与环境问题。而燃料电池正是其中的主力军^[1]。

燃料电池是一类不经过燃烧过程，而可以直接将燃料的化学能转换为电能的发电装置，它不受卡诺循环效应的制约，因而效率较高^[2]。另外，燃料电池使用燃料（如氢气）和氧气作为原料去除了传统的机械传动部件，所以相对而言噪声更低，最重要的是排放出的有害气体极少（燃料为氢气时甚至为零）。从节约能源和环保的角度看，燃料电池是极具发展前途的新能源技术^[3]。燃料电池同其它类型的能量转换装置一样，在把化学能转化为电能的过程中会发生一定的能量损失，这种损失直接反映为系统中产生的热量，如果这部分热量不能够及时散发出去，则会给系统带来危害^[4]。为了确保燃料电池始终能处于最佳运行状态，燃料电池系统必须进行合理、有效的散热。

燃料电池中多余热量的排出方案的选择主要取决于燃料电池的尺寸大小，通常有水冷式和风冷式方法。水冷式方法一般采取冷却循环水泵来强制循环水流流过电堆，以此带走电池多余热量，然后再经过散热器通过水流把热量传递到外界环境，达到散热的效果；风冷式方法则常常利用燃料电池阴极中快速流动的空气将电化学反应过程中产生的过多热量直接带到系统外部，风冷式方法又有自然冷却和强制冷却两种方式^[5]。实际上温度对燃料电池性能及可靠性有着十分重要的影响^[6]，所以燃料电池的热管理是至关重要的。

本课题以用于电动汽车增程器的燃料电池为主要研究对象，研究其工作原理，结合实际应用，从热场角度分析影响燃料电池性能的主要因素，根据燃料电池工作过程中的主要参数，对燃料电池的热场分布进行建模仿真，为优化电池性能提供依据。

1.2国内外的发展现状

1.2.1国外发展现状

早在1839年，英国的物理学家格罗夫就第一次介绍了关于燃料电池的原理性试验，即将装有铂电极的玻璃管浸入在稀硫酸溶液中，首先通过电解生成氢气及氧气，然后联结负载（用电器），就使得氢气及氧气完成了氧化还原变化过程，从而生成电流。到了1932年,剑桥大学的培根博士依据施密特提出的多孔扩散电极理论，研发出了双孔电极，并改进了燃料电池装置。二十世纪六十年代,燃料电池第一次应用在美国国家航空航天管理局的阿波罗号飞船上作为辅助性电源,至此燃料电池技术相关开发工作在世界各国引起重视。1973年左右，石油资源危机警醒了各国，石油产品储备无法跟上人们逐渐增长的需求，燃料电池技术的研发开始从太空朝向陆地。在二十世纪八十年代末期，环境污染等问题逐渐恶化，以提高能源综合利用率、减轻生态破坏为旨的汽车新能源研发得到发展契机。在1993年，加拿大的Ballard公司展示了一辆能实现零排放、以质子交换膜型燃料电池为动力源的公交车,当即引发了全球性的燃料电池电动汽车研发热潮^[7]。进入二十一世纪以来，美国始终是引导世界燃料电池研究开发的主要国家，它率先在北美展开燃料电池汽车的研发工作与示范运行；其他一些发达国家也在此期间取得了重大突破，日本丰田公司开发出的燃料电池汽车——Mirai一举掀开了全球燃料电池汽车产业化发展的序幕^[8]；加拿大的质子交换膜型燃料电池技术则是当前全球领先的^[9]。

国外SOFC系统的有关研究开发工作主要集中在其专门的研究机构或公司，譬如由美国SECA（固态能量转换联盟）出资的Fuel Cell Energy、Cummins、Delphi等公司以及欧洲、日本和澳大利亚的专业研究机构，在中、高温平板SOFC研究领域，位于美国的Versa Power拥有领先世界的水平^[10]。它们大多以研发出具有高比能量的燃料电池、提高电池总体性能、满足市场多元化需求为目标。Anderson论述了多尺度的SOFC模型的发展并详细介绍其中组分传递、动量传递、电荷传递、质量传递、热量传递等过程和各平衡方程，使用COMSOL多物理场耦合仿真软件建立SOFC模型，研究分析了离子阻抗、电子阻抗、工作温度对燃料电池性能的影响。Lee等通过三维数值模拟，分析讨论了燃料利用率对传热、传质过程的影响，研究SOFC内在的热量生成、传递机制和电池局部热状态。Tseronis通过模拟研究直接内重整型固态氧化物燃料电池内的各电化学反应、传递过程和局部热状态，得出了电池电流密度分布、燃料气和氧化气成分变化规律以及电池整体热场分布。

在燃料电池热管理研究方面，美国国家燃料电池研究中心首创通过在空气供应系统中加入一路流量可调节的冷空气输运管道，用来调节电池堆空气入口处的温度，进而达到控制电池堆入、出口温度差的目的，并且还集成了对应的外围供气子系统验证了该方案的可行性^[11]。在燃料电池堆温度建模这方面，H. Ly等人在维持燃料电池重要特征参数和几何分辨率的基础之上，为了降低燃料电池内部复杂传质现象的计算过程提出降低维数的方法，成功将计算时间及其所需要的内存减低了2至3个数量等级。J. Mor等人将若干个单电池等效电路通过级联而得到完整电池堆的温度模型，并且引入非线性的电阻使它能够适用于整个电池的工作温度范围内，它的相关参数是凭借实验曲线拟合得到的^[12]。各燃料电池的温度系统模型中，由G. Vasu等人提出的面向控制的燃料电池的集中参数模型，可以做到预测电堆、冷却液出口及排出反应气体的温度值。J. Nolan等人建立了八阶非线性的燃料电池温度系统的数学模型，他们用功率为120kW的燃料电池相关数据验证了此模型，进而提出了一种高效的降阶线性电池模型^[13]。固体氧化物型燃料电池的动态模型大多是非线性的，K. Sedghisigarchi尝试将SOFC非线性的动态模型线性化，随后在该线性模型的基础之上设计出了一H∞控制器，它使得电池系统在外接负载发生变化的情形下，可以通过改变燃料输运的速度调节电池的电压输出，同时把燃料电池的利用率控制在合理范围内，起到保护电池堆的效果^[14]。Amphlett等人创建了燃料电池电堆的动态物理模型，借此仿真分析研究电池堆起动、停止及负载阶跃变化时其电池电压及工作温度的动态变化；Pathapati等建立SOFC系统动态模型，使用MATLAB/Simulink软件工具分析当外接负载电流发生变化时电池电压、阴阳极气体通道内流体流量和压力的动态响应以及电池堆整体温度分布随时间的变化规律^[15]。P. Auiar等人合作设计了一款主控制器和一种PID温度控制器，这款主控制器可以对SOFC电堆电流施加一定扰动，此PID控制器能够自主改变流体流动速度，从而把电池燃料气排放端温度调整在理想范围内^[16]。在相应控制策略的设计开发上，基于电池模型预测控制，通过调节电池的电流密度、燃料气和氧化气（空气）的流量来控制SOFC系统的平均输出功率、燃料（主要是氢）利用率以及电堆温度。目前在控制策略的实现上，常用的做法是把在仿真模拟阶段得到的控制算法借由人工编程的方式转变为嵌入式的微处理器或者PLC等等控制执行器能够识别的代码，最后再由它们作用于被控对象^[17]。

1.2.2国内发展现状

相比国外发达国家，中国对于燃料电池技术的研究起步比较晚，1958年，中国才刚开始进行燃料电池的初步探索。二十世纪七十年代，由于当时国际航空航天研究异常火热，中国各大科研院所也乘势加大了对燃料电池技术的投入研究，国内的燃料电池研发工作迎来了第一次高峰。之后不久，随着国家“863”计划的制定，我国启动了燃料电池以及燃料电池汽车的研究课题，这让燃料电池技术有了长足的进步。到了1995年左右，正值“九五”科学攻关时期，中国科学院联合科学技术部把燃料电池技术列入了攻关项目，燃料电池借此东风在中国得到迅速发展，使得国内又形成了新的一轮燃料电池研究热潮。之后的“973”、“十五”等计划促使我国在燃料电池相关技术上取得了较大突破进展^[18]。在2002年的5月份，中国内地一家燃料电池汽车动力系统企业联合上海同济大学的汽车工程中心合作开发出一款名为“春晖1号”的以燃料电池为动力的汽车。两年过后的2004年，武汉理工大学联合东风集团共同研制出了功率达25kw的燃料电池电动汽车——“楚天一号”。同年6月，上汽和同济大学合作制造出了第2代的燃料电池汽车——“超越2号”，紧接着又研制了“超越3号”以及“超越4号”燃料电池汽车^[19]。经过数十年的投入发展，我国的燃料电池技术已经取得了重大的进步，但是在电池使用寿命、稳定性、电堆集成和燃料电池系统控制等方面跟世界顶尖水平还有相当大的差距 ^[20]。

我国最早的关于SOFC系统的研究开始于二十世纪七十年代，1990年以后，在中国国家科技部、中国国家发展与改革委员会、中科院、各教育部所属高校、各地方政府等的资助补贴下，多家知名高校、研究机构在固态氧化物型燃料电池关键材料、制备工艺和系统集成等多方面相继开展了深入的探索以及研究工作，并积累了相当丰富的经验^[21]。最近几年，中科院大连化物研究所跟上海硅酸盐研究所的相关领导团队也在有条不紊地开展SOFC系统的研究工作，国内部分其他单位的研发计划也正在推进。可是，由于起步比较晚和资金投入比较少等多种原因，我国SOFC技术研究开发的整体水平与加拿大、德国、美国、日本等众多发达国家的先进水准存在着一定差距，特别是在燃料电池堆性能与电池系统集成、控制方面的差距比较大^[22]。

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