固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法
【专利摘要】本发明公开了一种固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法，具体步骤为：构建电极的等效体积单元；随机指定小立方体的物性，根据电极中固体部分和孔隙部分分布的随机性，按照孔隙率ε的要求，将部分小立方体随机指定为孔隙，剩下的指定为固体，完成多孔电极的构建；基于有限元方法和有效介质理论，计算出有效扩散系数Deff；基于毛细管模型，经过严格理论推导，得到曲率因子。本发明基于孔隙分布的随机性和有限元技术，克服了实验法和球堆积法的缺陷，为固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子的预测提供了一种简单、高效、准确的新方法。
【专利说明】固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法
【技术领域】
[0001] 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电极气体传输曲率 因子预测方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池作为继水电、火电、核电之后的第四代新型发电技术，得到了世界各国的 重视。作为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池被认为是最具有市场前景的一种燃料电 池。自"八五"、"九五"、"十五"、"十一五"计划以来，我国连续资助固体氧化物燃料电池技 术研发。国家高技术研究计划（863计划）和国家重点基础研究发展计划（973计划）也对 固体氧化物燃料电池资助多年。虽然近年来固体氧化物燃料电池技术得到了迅猛发展，然 而固体氧化物燃料电池电极孔隙结构的随机性、复杂性、无规则性对其气体传输曲率因子 的研究提出了严峻的挑战，因而迫切需要一种研究气体传输曲率因子的简单、准确、高效的 新方法。
[0003] 固体氧化物燃料电池电极为多孔结构，在电池工作时，燃料气体从电极表面沿着 孔隙结构传输到电解质附件的三相线区域参加反应，反应产物则需沿着孔隙结构传输到电 极表面然后被排出。由于电极孔隙结构的随机性、复杂性、无规则性导致气体传输路径并非 直线，而是非常曲折。为了表征气体路径的曲折程度，定义了参数一曲率（τ)。曲率为气体 传输实际路径长度与直线距离的比例，曲率因子（τ 2)为曲率的平方。曲率越大气体的实 际路径越长，电池的浓差极化越大。因此减小电极曲率因子对电极结构优化，电池性能的提 高非常必要。
[0004] 目前，获取电极曲率因子的方法主要有实验法和球形颗粒自由堆积法。实验法是 利用诸如扫描电子显微镜（SEM)、同步X射线纳米断层摄像、聚离子束断层扫描（FIB)等技 术对电极样本进行二维断层扫描，然后再将二维断层图片合成为立体的电极结构。实验法 虽然能够真实而细致的重构出电极的孔隙结构，但存在着成本昂贵、依赖大量高端设备、结 构质量严重依赖于图像的分辨率和数据的后处理分析、费时（需要扫描成百上千张图片， 图片的后处理也很复杂）等缺点。为克服上述实验法的弊病，提出利用球形颗粒自由堆积 法构建电极结构以研究其性质，球形颗粒自由堆积法是一次将一个球形颗粒从长方体容器 上方的随机位置下落，当此颗粒与容器底接触或者与其它三个或三个以上颗粒接触时，颗 粒达到平衡位置，颗粒的位置固定，然后再自由下落另一个球形颗粒，大量的球形颗粒堆积 成电极模型。这种方法虽然比较简单、快捷，但是存在以下三大问题：（1)电极模型的最大 孔隙率为〇. 45,因此无法计算孔隙率大于0. 45的情况；（2)由于部分球形颗粒距离比较近， 但是又没有接触，导致球形颗粒构建的电极模型网格划分难度比较大，甚至无法完成网格 划分；（3)利用球形颗粒构建的电极模型计算的曲率因子与实验值相比偏差比较大。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种固体氧化物燃料电 池电极气体传输曲率因子预测方法。
[0006] 技术方案：本发明所述的固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法， 包括如下步骤：
[0007] 1)构建电极的等效体积单元
[0008] 利用小立方体堆积成电极的等效体积单元，小立方体的边长为电极固体和孔隙的 特征长度；
[0009] 固体氧化物燃料电池电极由固体部分和孔隙部分组成，而且固体部分和孔隙部分 的分布具有随机性。因而可以把电极等效为由固体小立方体和孔隙小立方体随机堆积而 成。由于电极尺寸远大于孔隙或者固体部分的微观尺寸，所以只需要利用小立方体堆积成 电极的等效体积单元。不同于球形颗粒构建电极模型，利用小立方体构建电极模型，不存在 特别狭窄的区域，更便于划分网格。
[0010] 2)随机指定小立方体的物性
[0011] 根据电极中固体部分和孔隙部分分布的随机性，按照孔隙率ε的要求，将部分小 立方体随机的指定为孔隙，剩下的指定为固体，完成多孔电极的构建；
[0012] 3)基于有限元方法，对等效体积单元进行加载方程、网格划分和边界设置，计算得 出有效扩散系数D rff
[0013] 利用有限元方法对气体传输微分方程进行求解，然后把气体流量J对等效体积单 元的上表面进行积分获得气体总流量J total;基于有效介质理论，进一步求出多孔电极的有 效扩散系数Drff ;
[0014] 4)结合毛细管模型和有效扩散系数Deff，得到曲率率因子τ2。
[0015] 所述步骤2)具体为运用随机赋物性的方法在小立方体密集堆积的等效体积单元 中，共计有Ν个小立方体，孔隙率为ε时，就随机地将[ε *Ν]个小立方体赋为孔隙的物性， 将剩下的[(1- ε )*Ν]个赋为固体的物性。
[0016] 所述步骤3)中有效扩散系数Drff计算公式为：
[0017]
【权利要求】
1. 一种固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法，其特征在于，包括如下 步骤： 1) 构建电极的等效体积单元 利用小立方体堆积成电极的等效体积单元，小立方体的边长为电极固体和孔隙的特征 长度； 2) 随机指定小立方体的物性 根据电极中固体部分和孔隙部分分布的随机性，按照孔隙率ε的要求，将部分小立方 体随机的指定为孔隙，剩下的指定为固体，完成多孔电极的构建； 3) 基于有限元方法，对等效体积单元进行加载方程、网格划分和边界设置，计算得出有 效扩散系数Drff 利用有限元方法对气体传输微分方程进行求解，然后把气体流量J对等效体积单元的 上表面进行积分获得气体总流量Jt(rtal ;基于有效介质理论，进一步求出多孔电极的有效扩 散系数Drff ; 4) 结合毛细管模型和有效扩散系数Drff，得到曲率因子τ2。
2. 根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法，其特 征在于，所述步骤2)具体为运用随机赋物性的方法在小立方体密集堆积的等效体积单元 中，共计有Ν个小立方体，孔隙率为ε时，就随机地将[ε *Ν]个小立方体赋为孔隙的物性， 将剩下的[(1- ε )*Ν]个赋为固体的物性。
3. 根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法，其特 征在于，所述步骤3)中有效扩散系数Drff计算公式为：
其中L为气体传输方向的等效体积单元的长度，A为与气体传输方向垂直的等效体积 单元的横截面积，Cup(cdOTn)为等效体积单元的上（下）表面的气体浓度。
4. 根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池电极气体传输曲率因子预测方法，其特 征在于，所述步骤4)具体为基于毛细管模型，得到有效扩散系数D eff与本征扩散系数D的 关系为：
再根据公式：
计算曲率.因子τ2,其中ε为孔隙率，所述有效扩散系数Drff通过步骤3)获得。
【文档编号】G06F17/50GK104156539SQ201410419212
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】孔为, 张强, 高祥, 李渊, 陈代芬 申请人:江苏科技大学