SOFC电极多组分传质过程的格子Boltzmann方法模拟.doc

文档介绍：中国工程热物理学会学科类别(传热传质学)
学术会议论文编号:123371
SOFC电极多组分传质过程的格子Boltzmann方法模拟
徐晗1,2,党政2,白博峰1
西安交通大学能源与动力工程学院,西安 710049)
(,西安 710049)
(Tel: [phone], Email: ******@.)
摘要本文建立了基于气体混合物动力学理论的多组分流动与基于Brinkman方程的REV尺度多孔介质流动的耦合二维LB模型,研究了SOFC阳极与阴极内多组分气体传质过程,对SOFC浓差极化进行预测。计算结果表明:对含有惰性气体的三组分等摩尔反向扩散过程,本文所计算的各组分摩尔分数分布与采用Stefan-Maxwell方程所计算的结果吻合较好;对多组分气体在多孔电极内的传质过程,本文所计算的浓差极化与采用Extended FM、DGM与SMM所计算的结果相比更加接近实验结果。基金项目:国家自然科学基金(50976092);教育部博士点基金(20090201120076);
中央高校基本科研业务费资助2012
关键词格子Boltzmann方法;多组分;多孔介质;质量传递;固体氧化物燃料电池
0 前言
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)除了具备一般燃料电池高效率、低污染的优点外,其最大特点就是工作温度可达600-1000℃,具有较高的余热品质,能广泛应用于分布式供能系统中,因此受到国内外研究学者的广泛关注。由于SOFC制造中存在的一系列问题,数值模拟仍然是现阶段研究SOFC的重要手段。无论是SOFC系统层次的模拟,还是电池层次的模拟,都需要准确的电极电解质模型反映SOFC电化学特性。在电极电解质层内部各种极化过程中,与多组分气体在多孔介质内部的传质过程相关的浓差极化极大地影响了电池的性能和耐久性。
现阶段主要采用两种方法对浓差极化进行处理:第一,利用三种简化模型[1]:扩展菲克模型(Extended Fick’s Model,Extended FM)、尘气模型(Dusty Gas Model,DGM)以及斯蒂芬-麦克斯韦模型(Stefan Maxwell Model,SMM)。由于电极厚度处在微米级别,以上三种模型无法对其内部存在的微尺度效应进行准确刻画;第二:认为在电流密度不是很大的时候,浓差极化很小,于是将其忽略。但是SOFC内部沿着流道方向电流密度的变化非常剧烈,因此将浓差极化忽略会导致计算结果的不准确。
综上所述,需要发展一种适用微尺度流动的数值方法对多组分气体在多孔电极内部的传质过程进行准确描述。而格子Boltzmann(Lattice Boltzmann, LB)方法正是合乎这一要求的选择之一。LB方法基于流体微观粒子特性和介观动力学理论,这种物理背景使其可以用于宏观模型失效的微尺度流体系统。与分子动力学方法相比,LB方法具有较高的计算效率;与其他介观方法相比,LB方法由于边界条件易于实施的特点而在模拟具有复杂几何机构(例如多孔介质)的问题时具有较大的优势。
在已有的SOFC内部多组分多孔介质耦合LB模拟的相关文献中,研究对象均为SOFC阳极,对于多孔介质流动几乎均是采用的孔隙尺度LB模型。相比孔隙尺度模拟需要预先知