平板式固體氧化物燃料電池連接體的設計與優(yōu)化.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種新型的能量轉換裝置，具有高效清潔、燃料靈活、結構簡單等諸多優(yōu)勢，被認為是21世紀最有應用前景的新能源技術之一。連接體作為SOFC的重要組成部件，除了可以連接相鄰單電池的陽極和陰極，起到集流作用外，還可為反應物和生成物提供通道，避免燃料氣與氧化氣的直接接觸。其結構設計的合理性直接關系到電池的輸出性能和長期穩(wěn)定性。由于SOFC工作在高溫、封閉的環(huán)境中，單靠實驗研究成本太高、實施困難。相對而言，基于有限元

2、法的數(shù)值仿真則比較經(jīng)濟、容易實施。因此，本文基于有限元法建立了平板式SOFC二維及三維模型，并以提高SOFC性能為目標對電池的連接體進行合理的優(yōu)化與設計。具體研究內(nèi)容如下：
　　1.為了探究電池設計對電堆性能的影響，本文分別從氣體濃度分布、電極電勢分布以及溫度分布等方面，對陽極支撐SOFC和陰極支撐SOFC進行了對比分析。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，陰極支撐SOFC電堆7033 A m?2的平均電流密度相對于陽極支撐SOFC電堆5580 A m-

3、2的平均電流密度高出了近二十個百分點。而且在最優(yōu)rib情況下，對于任意的接觸電阻和pitch寬度，陰極支撐SOFC電堆的性能都優(yōu)于陽極支撐SOFC電堆的性能。
　　2.針對目前傳統(tǒng)連接體與柱形連接體研究工作中存在的不足，本文提出了相應的改進措施。通過對電極中氣體濃度分布、接觸電阻以及pitch寬度的分析，明確了rib尺寸設計對電池性能影響的重要性。結果表明，對于給定的pitch寬度和接觸電阻，存在一個最優(yōu)rib使其輸出電流密度最大

4、。如果rib尺寸選擇不合理，由小接觸電阻產(chǎn)生的性能優(yōu)勢將顯著降低，甚至完全消失。通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，對于給定的pitch寬度，最優(yōu)rib與接觸電阻間近似成線性關系。最后給出了rib優(yōu)化公式及相關線性參數(shù)。
　　3.為進一步提高SOFC的輸出性能，本文設計了一種新型連接體——交叉形連接體。為驗證該新型連接體在性能方面的優(yōu)越性，分別從電極電導率、孔隙率、輸出電壓等方面與傳統(tǒng)連接體、柱形連接體進行對比分析，并基于 Taguchi試驗設計對該新