本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法。
背景技术：
：固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，即SOFC)是在高温环境下运行的完全固态结构的燃料电池，也是目前公认的五种燃料电池之一。与目前其他的能量产生装置比起来，它具有以下几个显著的优势：(1)SOFC工作温度最高可以达到1000℃，系统本身就拥有很高的能量转换效率。如果再使用热回收技术进行热电联产发电，在此种系统中，它的总效率可以达到70％-80％，是所有发电技术中最高的。(2)SOFC具有很强的燃料灵活度。它可以利用电池内部碳氢化合物的内部重整反应(在SOFC的极高工作温度下进行的一系列复杂化学变化过程)制得氢气和一氧化碳，因而可以把现实生活中较易获得的天然气、煤气、生物质气体等直接作为燃料电池的原料气，而使其原料不仅限于H2的范围。(3)SOFC采用的是全固态的电池组件，因此可以避免由于液体电解质带来的诸如腐蚀、泄露、堵塞反应物传输通道等技术问题，同时也意味着在电池结构设计上具有更强的灵活性。(4)由于SOFC极高的工作温度，它既有很高的输出功率，又无需使用像其他燃料电池所要的贵重金属催化剂，可以采用更廉价的金属催化剂材料(Ni)。固体氧化物燃料电池由于它的高效、环保等特质而在未来能源市场上有着很大的发展潜力。然而在目前，由于高温运行带来的各项挑战，它的发展受到系统寿命和高成本的双重掣肘，其性价比仍然远落后于其他的发电途径，因此目前仍然需要大力的研究和开发。首先来说，目前有很多方式可以提高固体氧化物燃料电池的性价比，尝试修饰其中电极和电解质的界面以寻求更佳的电池性能是可以考虑的办法之一。无论是实验还是模拟端，已经有相当数量的文献都验证了因增大界面给电池表现带来的的提升作用。然而，在那些文章中，只有很少的界面形状被作为研究对象，且对界面的曲折程度与性能的关系缺乏明确的归纳，给系统地进行界面修饰带来很多的疑问。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，以燃料电池实际运行参数、规律为依托，建立模型并进一步研究其内在的物理化学规律，对固体氧化物燃料电池的制造具有很大的实际意义，并有益于固体氧化物燃料电池性价比的提升。本发明的技术方案：一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，该固体氧化物燃料电池建模的目标区域是一个阳极支撑型固体氧化物燃料电池的重复单元，由LSM/YSZ复合阴极、YSZ陶瓷电解质和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述步骤S01中，模型假设及几何设定如下：a、所有参数值不随时间而变化；b、单元中的温度统一为800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极是21％的O2+79％的N2；e、电极中电子电势各处相等；f、标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电池单元，分别是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一椭圆形界面和第二椭圆形界面。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述步骤S02中利用COMSOL软件建立模型包括以下步骤：S021、常数和表达式的输入，将常数和表达式输入COMSOL软件中，S022、建立几何图形后，进行求解域设置、边界设置；S023、建立网络，进行网格划分，随后由电脑对模型进行运算；S024、运算后使用COMSOL自带的工具进行后处理，通过改变模型中参数的值在COMSOLScript进行编程对模型进行循环运算，探究单个参数对固体氧化物燃料电池性能的影响。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面、所述第二椭圆形界面的电流密度均大于所述平面界面固体氧化物燃料电池的电流密度。前述的固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法中，所述第二椭圆形界面的电流密度大于所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面的电流密度。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：(1)本发明以燃料电池实际运行参数、规律为依托，建立固体氧化物燃料电池二维有限元模型，并进一步研究其内在的物理化学规律，通过数值模拟研究几种不同的几何界面形状并得出具有最佳性能的界面，并分析此类性能提升的规律，探究其原因，这将对固体氧化物燃料电池的制造具有很大的实际意义，并有益于固体氧化物燃料电池性价比的提升。(2)本发明探讨了具有不同界面扩大因子的五种阳极-电解质界面对电池性能的影响，得出相对于另四种界面电池，在固定电压下，第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)能获得最大的平均电流密度；不同电池的平均电流密度-电压曲线证实了其性能对比，另外，在电池电解质周围较大的离子电势变化说明了离子欧姆损失很大，未来降低电解质厚度是可行的改进；对第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)的进一步优化表明，其在阳极/电解质界面处越深，越密集，电池总的性能表现就越好，和平面界面电池比较，理想下能获得最大32％的电流密度的提升。附图说明图1为本发明的第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图2为本发明的矩形界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图3为本发明的第一椭圆形界面(即较浅椭圆形界面)的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图4为本发明的平面界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图5为本发明的三角形界面的固体氧化物燃料电池的结构示意图；图6为本发明的电流密度和界面扩大因子的关系示意图；图7为本发明的阳极氢气的摩尔浓度(E＝0.7V)示意图；图8为本发明的阳极水蒸气的摩尔浓度(E＝0.7V)示意图；图9为本发明的五种不同界面电池的I-V曲线比较图；图10为本发明的沿着电池界面的离子电势分布示意图；图11为本发明的沿图10竖直y方向的离子电势截面图；图12为本发明的第二椭圆形界面(即较深椭圆形界面)阳极和电解质几何结构示意图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。一种固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法，包括以下步骤：S01、模型假设及几何设定；S02、利用COMSOL软件建立模型；S03、模型结果的分析。进一步地，该固体氧化物燃料电池建模的目标区域是一个阳极支撑型固体氧化物燃料电池的重复单元，由LSM/YSZ复合阴极、YSZ陶瓷电解质和Ni/YSZ金属陶瓷阳极组成。进一步地，所述步骤S01中，模型假设及几何设定如下：a、所有参数值不随时间而变化；b、单元中的温度统一为800℃；c、多孔电极是三组分均匀构成的连续体；d、通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极是21％的O2+79％的N2；e、电极中电子电势各处相等；f、标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立。进一步地，所述模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电池单元，分别是平面界面、矩形界面、三角形界面、第一椭圆形界面和第二椭圆形界面。进一步地，所述步骤S02中利用COMSOL软件建立模型包括以下步骤：S021、常数和表达式的输入，将常数和表达式输入COMSOL软件中，S022、建立几何图形后，进行求解域设置、边界设置；S023、建立网络，进行网格划分，随后由电脑对模型进行运算；S024、运算后使用COMSOL自带的工具进行后处理，通过改变模型中参数的值在COMSOLScript进行编程对模型进行循环运算，探究单个参数对固体氧化物燃料电池性能的影响。进一步地，所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面、所述第二椭圆形界面的电流密度均大于所述平面界面固体氧化物燃料电池的电流密度。进一步地，所述第二椭圆形界面的电流密度大于所述矩形界面、所述三角形界面、所述第一椭圆形界面的电流密度。固体氧化物燃料电池二维有限元模型的建立方法具体如下：1.1模型假设及几何设定由于本文目的是检验不同电极/电解质几何界面影响电池性能的结果，为了使模型更直接简要，文中建立了几个经过简化又不失合理的假设，如下所示：1)稳态条件：系统已经达到稳定运行状态，即所有参数值不随时间而变化。2)单元中的温度统一为800℃，即在此范围内是等温的。3)多孔电极是三组分均匀构成的连续体，如阳极是Ni，YSZ和气孔组成。4)通入阳极的气体组成是体积分数97％的H2+3％的O2，阴极则是21％的O2+79％的N2，由此可得到气体组成在电极表面处的边界条件。5)电极中电子电势是各处相等的。在此模型中，阳极电子电势为0，而阴极电势则是电池的运行电压E。由于阳极Ni和阴极LSM的电子电导率比YSZ的离子电导率要大了4个数量级，也就意味着在一定电流下电极中的电子电势减少值和离子电势相比可以忽略不计，因此此假设成立。6)标准的Butler-Volmer电化学动力过程成立，像吸附、解离和迁移等过程被忽略。也就是说，适用于电流相对较小且上述过程可以被忽略的情形。模型中研究了五种具有不同阳极电解质几何界面的固体氧化物燃料电池单元，分别是平面、矩形、三角形、第一椭圆形(即较浅椭圆形)和第二椭圆形(即较深椭圆形)界面，具体如图1-图5所示。图1-图5中三角形界面的尺寸已详细标出，以作为其他几种几何界面的示例。实际上对于除平面界面外的四种几何界面，它们电解质的底部陷入电极中的深度都是100μm。它们和平面界面情形相比有额外的电解质部分插入阳极中，这部分多出的电解质可能会导致更大的欧姆损失，因此，为了保证各种情形的一致性，对于平面情形来说它嵌入阴阳极之间完整的电解质厚度有100μm，阳极厚度则相应减少到480μm。而其他几何界面下，如在三角形界面图中所示，在500μm基阳极以上的电解质厚度是80μm。对于不同的几何界面，可以定义一个几何参数以衡量其对界面的扩大程度，它被称为界面扩大因子λ，其公式是：其中水平方向阳极-电解质长度就是平面界面的长度，如图1-图5所示即为800μm。在椭圆等复杂图形中λ可以通过COMSOL软件的计算来获得。值得一提的是，图1-图5中单电池中均没有考虑到连接体的作用，这是因为本模型目的是电极和电解质的界面优化，对于不同的几何界面，其性能的差异与连接体没有直接关系，因此，模型将会从不考虑连接体作用的单电池角度对固体氧化物燃料电池内部包含电极和电解质的模块进行理论考察和优化，其结果在有连接体作用下一样是适用的。或者也可以认为将本文中电极两端存在的是电导率很高、接触电阻和电子电阻都可以忽略，对电池性能影响很小的的连接体材料。1.2模型及数学方程将具体讲述如何把所有的固体氧化物燃料电池参数整合起来建立数值模型。总结来说，需要考虑电荷和气体的守恒以及阳极端氢气被氧化和阴极端氧气被还原的电化学过程。1.2.1离子和电子传输模型单纯YSZ的离子导电率和电极材料的电子导电率(单位：S/m)可通过公式(1-2)、(1-3)和(1-4)获得：它们可以证明电子电导率的值要远大于离子电导率。由于之前的假设中，电极中电子电势保持不变，只有离子电势在电极中才各不相同，所以模型中实际应用的只有离子导电率。在多孔电极中，实际的YSZ电阻要比公式的更大些，因为它比纯相材料的体积分数小，粒子扭曲率更大，所以，为了更准确，在其中应该使用有效电导率其中τYSZ和VYSZ分别表示YSZ粒子在电极中的扭曲率和体积分数。表1-1显示了模拟中所用的阳极和阴极微观参数。表1-1电极的组成和曲折因子孔隙率VYSZVNi或VLSMτ阳极0.3330.3330.3333阴极0.50.250.253在电解质和电极中离子的传输可以被统一的公式(1-6)来描述：其中u是离子电势，iv是阳极或阴极中的体积反应速率，B是依部分和改变的参数。具体来说，电解质中，B等于0，阳极时B等于-1而阴极时B等于1。上述的公式实际上和欧姆定律有着同样的物理意义(不过在欧姆定律中，电流不是如公式中所示的体积电流)，它表明电极中的离子电势和电荷转移的过程密切相关。1.2.2气体传输模型Dustygas模型用于描述气体在多孔电极中的传输。如上所述，它考虑了Knudson扩散以及气体的粘性流动，是Stefan-Maxwell模型的扩展。对于阳极和阴极来说，统一的气体传输方程可表示为：对于一个二元体系，上述等式可以根据每组分的守恒变形为：其中，下标1表示阳极端的H2或阴极端的O2，R是理想气体常数，T是工作的绝对温度，Pt是某一点总的气体压强，Pi是某点处气体i的压强。值得注意的是对于理想气体Pi＝ciRT保持成立。Sct是电化学反应的摩尔产生或消耗量。在上述等式中，xi是反应物i的摩尔分数,μ是混合气体的粘滞系数，它的计算式为：其中μi是气体i的粘滞系数，Mi是气体的分子量。K是多孔电极的渗透性，可以使用Blake-Kozeny经验关系来表示：其中dp是平均气孔直径。在典型的烧结环境下，平均气孔直径等于平均颗粒的直径。所以，在模型中，根据文献的报导，把平均气孔和颗粒的直径都设定为2μm。ε是电极的孔隙度而τ是气孔的扭曲率。和是二元气体扩散中的有效扩散率和Knudson扩散率，它们可以被定义为：Dij和Di，K分别是二元和Knudson扩散系数，公式如下所示：其中Mi是气体i的分子量，Vi是特殊的Fuller扩散体积参数，其值如表1-2所示。表1-2各种气体的扩散体积1.2.3电化学模型H2的氧化和O2的还原反应分别发生在阳极和阴极中，它们的还原动力学可以通过Butler-Volmer关系进行表示。(它描述的是当电化学反应被电荷转移过程所控制，而不是气体传输控制时，即意味着电流不大，而且E-Eeq＝ηact)其中iv是电极的单位体积电流密度，ηact是该位置的活化过电势，β是转移系数，通常来说都是假定一个对称的电子传输，所以β的取值定为0.5。n是参与电化学反应的电子数目，itpb是单位TPB长度的交换电流密度，ltpb是电极中的TPB密度。因此对于阳极和阴极，Butler-Volmer方程是：经验公式可以用来计算阳极和阴极的itpb：很多文章尝试过评估ltpb的值，在使用聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)技术进行对多孔电极的三维直接观测以后，ltpb和VYSZ的值能比较合理的获得。本文中在参考几篇文献之后ltpb取为1.8×1012m/m3。如我们可以从Butler-Volmer方程中看出，为了获得具体位置电化学反应率，需要知道该位置的的活化过电势。阳极和阴极每一位置的活化过电势分别被定义为其中是电子电势，是电极不同位置的离子电势。和分别表示阳极和阴极的平衡电势。从文献中来看，主要有三种方法来建立电极平衡电势和电极的电子电势边界条件的模型，分别如下1，2和3所示：边界条件：φe,a＝0(1-33)其中E表示运行电压，ENernst是能斯特电压，在可逆电池中，其等于开路电压EOCV，下标a和c分别表示阳极和阴极，tpb表示电极三相界面处。边界条件：φe,a＝0(1-37)φe,c＝E(1-38)边界条件：φe,a＝ENernst(1-41)φe,c＝E(1-42)在一系列的计算以后，可以证明上述三种定义实质上是等效的。因为它们在相应计算中并没有改变活化过电势的值。在本文的模型中采用的是第二种定义，把所有设定到的值带入，可得到活化过电势能写成：由于极化效应，电池的运行电压总是小于其可逆电压，即：E＝EOCV-ηact-ηohm-ηcon(1-45)而浓差极化可表示为：其中ci，tpb电极中气体的摩尔浓度，ci，b是气体在进气口的摩尔浓度。模型中，电动势可以由标准能斯特方式来表示：其中是在标准压强下与温度有关的开路电压。沿单元的电流密度可以通过如下公式获得：其中S是阳极的面积，lcell是重复单元的长度，即为800μm。综上，电池的极化曲线可以通过在不同运行电压下计算相应的电流密度得到。1.3工况及边界条件表1-3展示了模型中应用到的工况条件。值得注意的是，阳极厚度480μm只适用于平面界面的情形。表1-3模型中的计算条件参数值单位阳极厚度480μm电解质厚度100μm阴极厚度50μm温度(T)1073K压强(P)101325Pa工作电压(E)0.7V单元长度(lcell)800μm颗粒直径(dp)2μmTPB密度(ltpb)1.8×1012m/m3表1-4则显示了模型中的边界条件。由于在电极和电解质界面处，并没有固定的气体浓度值等的边界条件，因此此处只是电极表面的边界条件。表中的下标in表示电极和气道表面的气体浓度。值得注意的一点是，对于离子电势，除了在一些边界上它的梯度等于零以外，实际上并没有明显的约束。而最后我们却可以得到它的具体数值，这是因为沿着固体氧化物燃料电池电池其电流在在同一电路中是恒定的，这就可以对离子电势的梯度施加有效的约束。此外，由于像气体传输这样模型中的每一方面直接或间接都和离子电势分布有关系，所以，考虑所有这些约束以后，经过准确的软件模拟计算以后离子电势分布能够成功获得。表1-4模型中的边界条件以上讨论的所有等式和约束都输入COMSOLMultiphysics(版本3.5.0.494)中，总共有四种模式串联起整个系统。1、离子电势场，2、电子电势场，3、阳极中的气体分布，4、阴极中的气体分布。每一个模式中都包含上面介绍过的关于自变量的偏微分方程组，表征了固体氧化物燃料电池中满足的物理场规律。本模型使用COMSOL仿真的基本过程，在物理分析中需要的的常数和表达式(包括全局表达式，求解域表达式等)输入软件以后，可以进行几何作图，然后相继进行求解域设置、边界设置，以便建立多物理场耦合模型。之后进行网格划分，值得注意的是，划分网格的时候，靠近电极和电解质界面的区域其网格应该设置的更密集一些，因为该处会发生电荷转移反应，自变量的值可能会发生很大的变化。随后便可以由电脑对模型进行运算，模型中自由度的数目是17874，相对公差为1e-6，可以作为模型计算中收敛判断的依据。运算以后可以使用COMSOL自带的工具进行后处理，包括等位线、表面图、剖面图等数据图的获得和对变量积分等后处理运算。此后，可以改变模型中参数(如几何参数，固体氧化物燃料电池工况参数等)的值在COMSOLScript进行编程对模型进行循环运算，可以更深入地探究单个参数对固体氧化物燃料电池性能的影响。1.4结果及分析1.4.1不同几何界面的对比表1-5列出了在恒定为0.7V的电池运行电压下不同几何界面电池的电流密度和它们各自的界面扩大因子。从结果可以发现，无论是哪一种几何界面，他们比平面界面固体氧化物燃料电池都有更大的电流密度。此现象表明扩大界面接触面积确实能提高电池的性能。此外，还能发现深度椭圆形界面在所有界面单元中有最大的电流密度：2114A/m2。换句话说，跟平面电池相比，由于其界面的扩大，其电流密度提高了10.86％。因此，这一形状将是后续进一步优化的核心。此外，仍然是在表1-5中，当我们比较界面扩大因子和电流密度的时候，可以发现它们之间具有的正相关关系。为了让其比较更明晰，在图6中具体显示了其相互关系。整体上，阳极和电解质的界面越大，固定电压下此电池的电流密度也越大。考虑到他们的值要大于平面型电池的电流密度值，因此可以推断出，更大的界面面积可以增大电极和电解质界面附近的三相界面，因而导致更少的活化极化损失和更佳的电池性能。然而，也值得注意的是，较深的椭圆情形存在一定的例外，虽然其界面扩大因子不是最大但是它的电流密度却是最大的。这种状况可能是由于此种形状界面和矩形界面比起来有更大的有效界面，因此能在界面周围提供更大的三相界面区域。表1-5五种不同界面的模拟结果1.4.2电池特性模型在COMSOL中完成以后，电池的各项参数和性能都能相应获得。在图7中，展示了较深椭圆阳极中氢气的分布情况。可以看到在阳极和电解质界面端和阳极表面相比氢气的量明显减少，由气道电极表面处的11.015mol/m3减少到10.907mol/m3，这是由于在阳极中发生的氢氧化反应，使得氢气的量发生消耗并逐渐减小，并产生相应的浓差极化。水蒸气的浓度分布则表现在图8中，与氢气相反，作为氢氧化反应的产物，其分压随着越接近阳极电解质界面而越加增大，其峰值可以达到0.541mol/m3。同样的，阴极端的气体分布也和阳极端相似，在接近阴极电解质界面处氧气不断消耗而氮气比重则不断上升。图9显示了模拟所得到不同界面电池的电流密度-电压曲线图。该图是通过改变电池运行电压(0.1、0.2、0.4、0.6、0.7、0.9和1.1V)，获得其在每一电压下对应的电流密度而得来的。由图9中可以看出，与之前在0.7V电压下运行的电池表现一致，从平面，较浅椭圆形，三角形界面再到矩形，较深椭圆形界面，其I-V曲线逐渐上升。即在任意工作电压下，其电流密度都是逐渐上升的关系。在所有的电压下，较深椭圆形界面的电池都有着更大的电流密度，也和上文中它具有最佳性能的结论是吻合的。因此，该结论进一步证明了随着界面形状的改变，固体氧化物燃料电池单元的相应电化学性能也会发生相应的变化。图10显示了沿着电池截面的离子电势分布。离子电势在电解质区域有明显的减少，可见由于较大的电解质层厚度，沿着电解质区域的欧姆损失是比较大的。图11表示的是沿着电池厚度方向离子电势的逐步变化情况，它实际上是在图10的基础上，固定水平方向x的值，由不同y值下离子电势的值而得到。可以发现在大部分的阳极区域，离子电势值是很稳定的，因为此区域电荷主要是以电子的形式存在。然而在靠近电解质界面的阳极区域，由于发生电荷转移反应(即电子和离子作为其中一部分的电化学反应)，它的值会显著减少。在电解质层，离子电势在欧姆定律的作用下线性地减小。值得注意的是，如图11可见，在靠近界面的阳极区域里离子电势的梯度要大于电解质中相应的梯度。这是由于在气孔等的作用下，这些位置的有效离子电阻率要大于纯YSZ电解质层，导致在靠近电解质的阳极处离子电势的斜率要更大些，之后随着离子数目的消耗，此斜率逐渐减小并最后到零。对于阴极端，同样也可以得到类似的结论。1.4.3椭圆界面的几何优化由上得出，较深椭圆形的结构在固定电压下拥有最大电流密度。由于在模型中限制了包括电池片段的长度，界面深度等很多的尺寸，因此，若再对此些参数进行调整优化，可以得到理论上具有最佳电化学性能的界面构造。不过与之前的模型参数不同的是，此处将采用一种更简单的模型。由于周期性条件的存在，研究对象可以集中在电池的一块很小的重复性单元上，也就是此单元只需含有一个如矩形、椭圆形这样的不规则界面。为了达到有代表性地描述一个椭圆形界面的目的，如图12所示，设定了三个表征椭圆尺寸的几何参数，此三个参数分别是Distance，Length和height，其中Distance和Length能用来衡量椭圆形界面在水平方向占的比重，此重复单元的长度即为2(Distance+Length)，Height用于衡量椭圆界面的深度。由于模拟中阴极条件保持不变，因此在该示意图中省略了阴极部分。表1-6用于循环运算的较深椭圆界面参数值参数值(μm)Distance10，50Length10，50，100Height50，100，200首先，对于此三个几何变量设置了三组不同的值，如表1-6中所示。其取值是考虑到1.4.1中得出较深椭圆形具有更好的性能，因此把Height的参数设置得较高。另外，理论上说椭圆形界面越密集电池的电化学性能也会越好，因此参数Distance和Length的循环值都比之前800μm的单元长度明显小。假定固体氧化物燃料电池运行电压是0.7V，通过在COMSOLScript中进行循环运算，可以获得不同几何参数组合下各自的电流密度，以得到具有最佳性能的椭圆形界面结构。其不同组合下获得的电流密度值如表1-7所示，可以发现当Distance，Length和Height的值分别达到10μm，10μm和200μm的时候电流密度获得最大值。换句话来说，当此椭圆形界面的密度理想化地高的情况下，可以得到最大约为2500A/m2的电流密度。按照之前的模拟结构，作为参考情形的平面型界面其电流密度为1885A/m2，也就是说此种情况下电流密度可以获得32％的提升。此结论和之前电化学性能与界面扩大因子具有正相关系的结论吻合，因为随着接触面越密集，电解质越深入电极中，相应能够获得更大的界面扩大因子，也就能够获得更大的电流密度。不过，考虑到实际制造中界面处理的难度和成本，要获得该种足够深的凹槽界面从技术上来说也是非常困难的。不过，上面的结论仍然能够给我们提供有价值的信息，即制造含有较密集并能增大电极电解质接触面的固体氧化物燃料电池电池能有一定程度上提高其电化学性能。表1-7不同椭圆几何参数下的Idens1.5小结对有较大电解质厚度的阳极支撑型固体氧化物燃料电池重复单元建立了二维有限元模型，详细叙述了多物理场各自的平衡等式和建模的过程，探讨了具有不同界面扩大因子的五种阳极-电解质界面对电池性能的影响，得到了以下结论：1)相对于另四种界面电池，在固定电压下，较深椭圆形的界面能获得最大的平均电流密度，如在0.7V运行电压下，其平均电流密度比平面型界面电池高出10.86％。2)本文中定义的界面扩大因子和电池的性能大体上具有正相关的关系。3)不同电池的平均电流密度-电压曲线证实了其性能对比，另外，在电池电解质周围较大的离子电势变化说明了离子欧姆损失很大，未来降低电解质厚度是可行的改进。4)对较深椭圆形界面的进一步优化表明，其在阳极/电解质界面处越深，越密集，电池总的性能表现就越好，和平面界面电池比较，理想下能获得最大32％的电流密度的提升。5)制造含有较密集并能增大电极电解质接触面的固体氧化物燃料电池电池能有一定程度上提高其电化学性能。以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本
技术领域：
的专业技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3