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固体氧化物燃料电池堆多物理场耦合模拟的高效电化学-传质耦合算法
  • ISSN号:1674-0068
  • 期刊名称:《化学物理学报》
  • 时间:0
  • 分类:O[理学]
  • 作者机构:中国科学技术大学物理系,合肥微尺度物质科学国家实验室(筹),中国科学院强耦合物质重点实验室,合肥230026
  • 相关基金:This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.11374272 and No.11574284) and the Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology.
作者: 李昂, 林子敬
中文摘要:

较高的体积功率密度是微管固体氧化物燃料电池(mtSOFC)商业化成功的基础.为了找到阳极支撑mtSOFC的最大体功率密度(MVPD),本文分析了几何参数对体积功率密度的影响,发现阳极厚度tan和阴极长度lca对参数设计起关键作用,并建立了热流动电化学模型来检验功率密度的输出对电池参数的依赖性.在不含其它可调参数的前提下,拟合了实验I—V曲线,验证了多物理场模型的有效性.在1073.15K的温度下,利用多物理场模型计算了20组内管半径与阳极厚度的组合,确定了最佳的lca和相应的MVPD.结果表明:(1)通过几何优化可以实现微管电池显著的性能提升,(2)微管电池阳极单边收集和双边收集通过优化分别可以达到11和14W/cm^3的最大体功率密度.此外,对于三个代表性(rin,tan)组合,lca在(2rnm,40mm)的范围内变化,确定了面功率密度与阴极长度的关系.最后,证明了通过适当的几何参数设计,mtSOFC输出的面功率密度可以与平板SOFC的电流输出相当,显示了微管电池在较高电性能输出方面的巨大潜能.

英文摘要:

High volumetric power density (VPD) is the basis for the commercial success of micro-tubular solid oxide fuel cells (mtSOFCs). To find maximal VPD (MVPD) for anode-supported mtSOFC (as-mtSOFC), the effects of geometric parameters on VPD are analyzed and the anode thickness, tan, and the cathode length, lea, are identified as the key design parameters. Thermo-fluid electrochemical models were built to examine the dependence of the electrical output on the cell parameters. The multiphysics model is validated by reproducing the experimental I-V curves with no adjustable parameters. The optimal lea and the corresponding MVPDs are then determined by the multiphysics model for 20 combinations of rin, the inner tube radius, and tan. And all these optimization are made at 1073.15 K. The results show that: (i) significant performance improvement may be achieved by geometry optimization, (ii) the seemingly high MVPD of 11 and 14 W/cm^3 can be easily realized for as-mtSOFC with single- and double-terminal anode current collection, respectively. Moreover, the variation of the area specific power density with/cac(2 mm, 40 mm) is determined for three representative (tin, tan) combinations. Besides, it is demonstrated that the current output of mtSOFC with proper geometric parameters is comparable to that of planar SOFC.

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期刊信息
  • 《化学物理学报》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科协
  • 主办单位:中国物理学会
  • 主编:杨学明
  • 地址:合肥中国科学技术大学
  • 邮编:230026
  • 邮箱:cjcp@ustc.edu.cn
  • 电话:0551-3601122
  • 国际标准刊号:ISSN:1674-0068
  • 国内统一刊号:ISSN:34-1295/O6
  • 邮发代号:26-62
  • 获奖情况:
  • 1998年获安徽省优秀科技期刊一等奖
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:4282