一种固体氧化物燃料电池复合电极性质的计算方法与流程

本发明涉及燃料电池多种复合电极的性质分析计算领域，具体是一种固体氧化物燃料电池复合电极性质的计算方法。

背景技术：

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell：SOFC)作为一种能量转化设备，以其高效、清洁和燃料形式多样等突出优点备受人们关注。一个典型的SOFC主要由阴极、电解质、阳极及双极板组成。随着复合电极功能、成分和制作工艺的不断发展，简单均相假定的数值模拟已经不能完全满足SOFC复合材料分析和结构设计发展的需要。因为对于不同的复合电极制备方法和制备条件而言，其直接结果是导致了不同的电极微结构形貌，并由此导致不同的电极性能。因此，深入理解具体无规则结构形貌对电极性能的作用机制，是得到优化电极设计的关键因素。近年来，聚焦离子束扫描显微镜(Focused Ion-Beam Scanning Electron Microscopy)以及x射线断层摄影技术(X-Ray Tomography)被用于得到高分辨率的复合电极截面图。通过对截面图中不同材料相灰度的判断，从而实现对微观电极结构的三维重构。通过该方法，我们可较细致准确的得到复合电极内部的形貌特征。但由于高倍放大的原因，该方法只能用于重构出复合电极很小一部分体积内的三维结构。2010年Kee小组基于球形颗粒随机分布的方法构建了LSM/YSZ复合电极微观结构形貌，并尝试采用4面体网格对YSZ颗粒形成的无规则结构形貌直接进行分网。进而在该区域加载电荷守恒方程计算复合电极的有效离子电导率。类似的，Mitra小组也针对由聚焦离子束扫描显微镜得到的复合电极微观结构，通过直接分网的方式求解复合电极的有效离子电导率。该方法为人们进一步开展SOFC电极的无规则结构分析做了很好的尝试。然而有两点需要指出的是：(a)由于不规则结构的特点，复杂的网格结构导致了大的计算量和数值不稳定性，因此该方法只能针对很小一个区域进行计算，且很难被进一步耦合更多的方程来对SOFC的微观电化学反应机理做细致的分析；(b)该方法只能用于计算有限的结构和性质，不适用于对由混合电导材料(如阳极的LSCM或阴极的LSCF)和纯导离子材料(如YSZ)混合而成的电极结构的性能预测。以及由三种以上材料混合而成的复合电极结构的性质预测。因为虽然LSCF和YSZ都具有离子传导能力，但两者具有不同的本征电导率。

技术实现要素：

本发明正是鉴于a)细致考虑无规则微观结构形貌对于发展复合电极的重要性与b)现有SOFC复合电极仿真计算技术的缺陷两个因素，提出一种固体氧化物燃料电池复合电极性质的计算方法。

为了解决上述的技术问题，本发明的解决技术方案是：一种固体氧化物燃料电池复合电极性质的计算方法，包括下述步骤：

(1)采用球形颗粒随机分布的方法或电镜扫描图重构出LSM/YSZ复合电极的多孔无规则微观结构，并记录每一个颗粒的坐标、半径和属性。

(2)以最简单的LSM/YSZ两相复合电极结构为例，根据步骤(1)重构的LSM/YSZ复合电极的多孔无规则微观结构的长、宽、高尺寸，构建一个规则的矩阵网格，并通过对照每一个网格点与重构得到的电极结构的对映关系，确定该网格点的材料相属性(x，y，z，电子材料颗粒，离子材料颗粒，气相)。

(3)将步骤(2)中网格点的材料相属性(x，y，z，电子材料颗粒，离子材料颗粒，气相)信息作为输入文件导入有限元软件COMSOL Multiphysics，加载离子电荷守恒方程，并在结构两端设置电势边界V1、V2，通过数值求解的方式得到通过横截面的电流I。

(4)计算该材料的有效离子电导率为其中，A为该复合电极横截面积，L为复合电极几何厚度。

本发明有益效果在于：本发明首先采用球形颗粒随机分布的方法重构复合电极的无规则微观形貌，并探索采用带不同材料相特征信息的规整网格表征复合电极无规则结构形貌，并基于该规整网格预测复合电极相关性质的方法，为进一步研究无规则结构形貌SOFC复合电极奠定了基础。

附图说明

图1为本发明方法一种实施例重构的LSM/YSZ复合电极微观结构图。

图2为本发明方法一种实施例重构的LSM/YSZ复合电极微观结构矩阵网格图。

图3为本发明方法一种实施例重构的LSM/YSZ复合电极微观结构矩阵网格通过其横截面的电流的求解示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1-3以典型的LSM/YSZ二元SOFC复合电极为例对本发明做进一步的说明，但不应以此来限制本发明的保护范围。

为了方便说明并且理解本发明的技术方案，以下说明所使用的方位词均以附图所展示的方位为准。

本发明一种固体氧化物燃料电池复合电极性质的计算方法(简称方法)，其特征在于，包括下述步骤：

(1)采用球形颗粒随机分布的方法重构出LSM/YSZ复合电极的多孔无规则微观结构(参见图1)，并记录每一个颗粒的坐标、半径和属性；所述颗粒的属性为导电子颗粒或导离子颗粒。

(2)根据步骤(1)重构的LSM/YSZ复合电极的多孔无规则微观结构的长、宽、高尺寸，构建一个规则的矩阵网格(参见图2)，并通过对照每一个网格点与重构得到的电极结构的对映关系，确定该网格点的材料相属性(x，y，z，电子材料颗粒，离子材料颗粒，气孔)。例如，如果网格点坐标处于导离子颗粒的半径范围内则可表示为(x，y，z，0，0)。其中为YSZ材料的本征电导率。通过这种方式，我们可以将一个不规则结构简化为一个带不同材料属性信息的规整网格输入文件。

(3)将步骤(2)中网格点的材料相属性(x，y，z，电子材料颗粒，离子材料颗粒，气孔)信息作为输入文件导入有限元软件Comsol Multiphysics，加载离子电荷守恒方程，并在结构两端设置电势边界V1、V2，通过数值求解的方式得到通过横截面的电流I(参见图3)。

(4)计算该材料的有效离子电导率为其中，A为该复合电极几何横截面积，L为复合电极几何厚度。

进一步可以计算LSM/YSZ复合电极的其它一些诸如电子电导率、多孔介质渗透率、气流扩散系数、热导系数及孔径分布等性质参数。

本发明方法，首先采用球形颗粒随机分布的方法重构多组分SOFC复合电极的无规则微观结构形貌。然后直接针对整个重构的复合电极结构构建规整网格，并通过对比网格点将相应的材料性质赋予每个网格格点。既采用带无规则结构特征信息的规整网格研究不同微结构形貌对复合电极性质的影响。从而避免直接针对无规则结构进行分网和数值求解带来的一系列问题。最后将这些格点信息导入有限元分析软件数值计算复合电极的有效电子电导率、有效离子电导率、渗透率、有效三相线长度、气孔半径分布等相关电极性质，从而达到使用规则网格对无规则结构进行准确数值求解的目的。本发明方法为进一步研究无规则结构形貌SOFC复合电极奠定了基础。根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

本发明未述及之处适用于现有技术。