燃料电池被誉为继火力，水力，核电后的第四代发电技术。燃料电池之所以受到各种领域的青睐，让众多国家投入使其产业化，与燃料电池本身的高效性，清洁性，环保性，燃料来源广泛等性能密不可分[1]。燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，如果燃料电池的燃料供给充足，那么燃料电池将会持续发电。燃料电池根据不同的电解质，主要分为以下几种：1.碱性燃料电池（AFC）：以强碱为电解质，2.磷酸型燃料电池（PAFC）：以磷酸为电解质，3.熔融碳酸盐电池（MCFC）：以熔融碳酸盐为电解质，4.质子交换膜燃料电池（PEMFC）：以固体高分子材料为电解质，5.固体氧化物燃料电池（SOFC）：以固态氧化锆为电解质。相比于其他的燃料电池，固体氧化物燃料电池有着高效率，燃料来源广泛等优点。同时，固体氧化物燃料电池的应用也十分的广泛，小到电子设备，如手机，笔记本，大到电站，船舶，新能源汽车等设备[2]。

燃料电池的诞生可以追溯到1839年，英国的物理学家Grove在以金属铂为电极，氢气为燃料的电解水逆向反应的实验中发现会产生微弱的电流，因而研制出了燃料电池[3]。而固体氧化物燃烧电池的历史可以追溯到20世纪，美国西屋电气公司研制出了（22mm 1.8m）的管式SOFC，它采用电化学气相沉积方法制作了极薄的电极薄膜，并且拥有2万小时的运行经验，但由于建造以及维护成本过于高昂，难以进行商业化。后续，在1997年，西门子收购了西屋公司，西门子公司在荷兰组建了一套SOFC的系统，开发了平板式SOFC发电装置。在2002年，西门子与加州大学合作，安装了第一套SOFC与气体涡轮机联动的发电系统，发电功率为220KW，并在该校的燃料电池研究中心投入研究并运行[4]。在日本，许多公司比如三菱重工等已经开始研究圆管式SOFC装置，燃料利用率可达到58%。日本其他公司也对平板式SOFC的燃烧电池进行研究。在1996年，三菱重工造船所与电力部门合作，成功创造了5KW的平板式SOFC燃料电池模块[5]。在欧洲，德国海德堡的研究所在20世纪70年代就研制出圆管式的SOFC燃料电池。德国尤利希研究中心的研究成果也能达到数千瓦级功率。同时，欧洲其他国家，如英国，法国，荷兰等国家成立了国立研究所，和大学合作积极研究中低温型SOFC燃料电池，并推动SOFC的商业化发展[6]。

国内的燃料电池起步比较晚，发展也较为缓慢。在上世纪曾有一段对燃料电池研究的热潮，但后期由于国家发展策略调整最后不了了之。直到2011年，科技部重新对SOFC进行了立项研究，国家希望在研究水平提高的同时，能够进一步提高燃料电池的商业化推进。经过一段时间的发展，已有了初步的成效。徐晗等人对SOFC-CHP家用系统研究发现，在设计工况下，如果单独进行发电的电池的效率远不如该系统的使用效率，并且该系统的效率与过量空气系数有关，过量空气系数数值越低，则效率越高，并能优化其使用性能[7]。王旭等人对IGCC-SOFC系统进行研究发现，整个系统的效率与整体空分系数和主蒸汽压力有关，如果整体空分系数增加并选取一定的最佳蒸汽压力，该系统的性能将得到明显提高[8]。

关于仿真分析，国内外也有较多的研究：在进行建模时，分为三类，一维仅考虑电极电解质的厚度方向，二维还要考虑电池长度方向，三维是实体模型[9-13]。SOFC燃料电池里的气体混合物扩散机制存在三种模型：FM模型，SMM模型，DGM模型。其中FM模型，SMM模型研究较多，采用较为广泛[14]。Anderson的研究对SOFC模型进行了研究总结，描述了组分传递，热量传递，动量传递，电化学反应以及燃料重整反应，根据CFD模型发现，电化学反应区很薄，与早期的模型假设有较大区别[15]。Yan研究建立了非稳态数值模型，通过对电压，H2浓度，温度等变量的调整，发现这些变量的增加会导致碳沉积过程的加速[16]。Yahya研究了一些变量对于SOFC电池性能的影响，发现燃料的流量，温度，压力都可以提高SOFC的功率密度，增加使用的效率[17]。Kim用SOFC燃料电池电解H2O和CO2制备合成气，通过调整温度，两种气体的比例，气体流速等参数，发现不同的参数工况对于合成气的产率以及合成情况有较大关系[18]。Hagen利用SOFC模型，用沼气为燃料，通过调整H2O,CO2,O2的浓度比例，发现当沼气和CO2的浓度比值为1:1时，可以降低碳在电极上的沉淀[19]。Santoni根据系统IT-SOFC的燃料重整功能，以H2O,CO2,O2,H2的混合气体为燃料，通过调整电流电压，测量电池温度，研究发现电流大小为40A时，放热反应较强，温度升高；电流为0A，即断路时，吸热反应较强，且CO2和H2O在重整反应中分别是蒸汽重整和干重整，两者存在互斥关系[20]。

国内虽然研究较晚，但也有一部分关于SOFC的仿真研究：宁波材料所组装了4cm×4cm的阳极支撑SOFC装置，以混合气为燃料，通过调整水碳比，温度等变量发现，较高的水碳比可以抑制碳在SOFC上的沉淀[21]。徐民基于单电池模型，从物质传输和热量传递等方面分析温度梯度对于电池热应力的影响，并根据冷冻流延材料的电导率结果，从电子微观角度分析各向异性材料的电导率对于电池性能的影响[22]。谭玲君建立固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池的联合发电系统，通过改变燃料利用率，空气，燃料流量比与燃料流量，发现联合发电系统的效率高于单个系统效率；燃料利用率75%时，效率最高；空气，燃料流量比可改善系统性能；燃料流量对效率无影响[23]。

根据以上的国内外研究，我们可以发现研究热点主要集中在SOFC燃料电池的内部结构，SOFC的内部物理量（组分浓度，温度等），外部操作参数，以及他们如何影响着它的性能（效率，功率等）。众多研究表明固体氧化物燃料电池有着非常高的能源利用转化率，有着较大的商业化潜力与价值，所以为了SOFC的性能优化，保证其工作稳定，提高燃烧电池的发电性能，促进SOFC的商业化发展，我们需要对固体氧化物燃料电池进行仿真模拟分析，并实现其工程实际价值。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

主要完成固体氧化物燃料电池SOFC的发展现状及应用调研、固体氧化物燃料电池SOFC的结构和工作原理分析、建立固体氧化物燃料电池SOFC仿真模型、利用仿真软件对固体氧化物燃料电池SOFC进行仿真、根据仿真结果分析优缺点等。

2.2研究目标

通过对固体氧化物燃料电池进行建模仿真，学习及深化相关理论知识和学会相关软件的使用；根据仿真结果，对固体氧化物燃料电池的内部物理量（如温度等）分布进行研究，并通过改变外部操作参数，探讨其对SOFC的性能的影响，分析SOFC运行的最佳状态。