摘 要摘 要固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其燃料选择多、功率密度高等优点，受到了国内外学者极大的关注，成为解决环境能源问题的一项新技术。管式SOFC作为固体氧化物燃料电池的一种，主要优点是单管结构简单、高温密封性好、稳定性高，但是在电流收集等方面比较困难，所以本文主要针对阴极集流件对管式固体氧化物燃料电池性能的影响进行深入研究。首先介绍了燃料电池的研究背景，接着主要介绍了燃料电池的原理、组成、特点以及分类，然后介绍了固体氧化物燃料电池的原理和分类，之后又介绍了管式SOFC的三种支撑类型的特点以及集流件。主要介绍了阳极支撑型管式SOFC模型。首先介绍了模型假设、模型参数、模型考虑的控制方程，并对比了不同阴极集流件长度和宽度对阴极电势及氧气浓度的影响。基于第二章建立的模型，分析了阴极集流件长度及宽度对电池性能的影响。结果显示阴极集流件长度越长，电池的性能越好，当圆心角增加到90°时，此时集流件和阴极的接触面积最大，电流达到最大值；阴极集流件宽度越大，电池的性能越好；随着电池重复单元宽度的增加，输出电流减小，但是变化非常小。结论部分对全文进行总结。关键词管式SOFC；阴极集流件；接触电阻
目 录
第一章 绪论 1
1.1 燃料电池的研究背景 1
1.2 燃料电池 1
1.2.1 燃料电池的原理及组成 1
1.2.2 燃料电池的特点及分类 3
1.3 固体氧化物燃料电池 4
1.3.1 固体氧化物燃料电池的原理和特点 4
1.3.2 固体氧化物燃料电池的分类 6
1.4 管式固体氧化物燃料电池 8
1.4.1 管式SOFC的支撑类型及其特点 8
1.4.2 管式SOFC电池材料 9
1.4.3 管式SOFC集流件的介绍 10
1.5 文献综述 10
第二章 管式固体氧化物燃料电池模型 12
2.1 模型假设及物理模型 12
2.2 控制方程 15
2.3 结果分析 16
第三章 阴极集流件对管式SOFC性能的影响 19
3.1 研究意义 19
3.2 结果与讨论 19
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3.2.1 阴极集流件长度对管式SOFC性能的影响 19
3.2.2 阴极集流件宽度对管式SOFC性能的影响 24
3.2.3 阴极集流件对不同宽度管式SOFC性能的影响 28
3.3 本章小结 32
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 燃料电池的研究背景
20世纪是人类文明高速发展的时期，在这段时期，以石油、煤炭和天然气为主的化石能源被大量使用。除了储藏量不断减少外，更严重的是，化石能源在被使用后，产生了大量的污染气体，给我们的环境带来了严重的影响。我国目前的能源结构很不合理，石油进口比例高，煤炭使用量所占比例过大，人均能源占有率低，而且能源的利用率也很低。统计表明，我国一次能源的生产量和使用量已经超过20亿吨，居世界第二位。而且预计将来我国的能源需求会成倍的增长。而与此相对应的是，西方国家从20世纪70年代就开始积极的寻找新能源，以此来逐渐替代传统能源。进入21世纪后，出现了全球气候变暖、能源价格大幅攀升等问题，世界各国也是加快了开发了利用新能源的步伐。在这种情况下，新能源产业也将成为一个新的经济增长点，带动国家的发展。
我国作为能源消耗大国，要解决能源危机、环境保护和经济发展之间的矛盾，就必须要转变经济发展方式，调整产业结构，坚持走新型工业化道路，大力发展新能源产业，实现经济与社会的可持续发展。
目前主要有风能、太阳能、生物质能和氢能等几类新能源正在被开发和利用，加快新能源技术的研究和利用，是我国能源结构转型的必经之路。在新能源的开发过程中，燃料电池迅速受到国内外专家学者的青睐。作为一种有别于传统电池的新型制电装置，它将燃料和电池结合在一起，可以直接将燃料的化学能转化为电能[1]。同时，燃料电池又具有诸多优点：首先，燃料电池可靠性高，寿命长，转化效率高；其次，燃料电池反应产生的NOx、SOx和微粒等污染物的排放实际为零，是一种非常清洁的能源装置；和普通电池相比，燃料电池可以依据功率和容量随意改变大小，不受尺寸的限制；而且，燃料电池可以靠补充燃料迅速充电。
1.2 燃料电池
1.2.1 燃料电池的原理及组成
1、燃料电池的原理
燃料电池是一种有别于传统电池的新型电化学系统，它将燃料和电池两种概念结合在一起。它相当于一个“工厂”，在燃料输送进来的同时会把产生的电输出，而且，燃料电池在产生电的时候不会被消耗[2]。它的发电原理和化学电源很相似，是将燃料的化学能转化为电能。电子在电极的转移过程中，阳极催化燃料发生氧化反应，阴极催化氧化剂发生还原反应。燃料电池主要由四部分组成，分别是电极、燃料、电解质及氧化剂。
图11是一个详细的燃料电池反应示意图。燃料电池发生反应主要有以下四个步骤：
反应物输入燃料电池；
发生电化学反应；
离子通过电解质传导，电子通过外电路传导；
反应产物排出。
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图11 燃料电池反应示意图
2、燃料电池的组成
燃料电池主要由以下四个部分组成[3]：
电极（阳极和阴极）；是燃料发生氧化反应、电解质发生还原反应的电化学反应场所，主要为多孔结构，阳极和阴极主要是由具有电化学催化活性的材料制成，目前较理想的阳极材料是金属Ni和YSZ复合材料，阴极大多采用La1XSrXMnO3；
电解质；电解质是燃料电池的核心组件之一，大多采用的是氧化物陶瓷材料；
电解质的性能决定了电池的性能和工作温度，除此之外，他还影响着电极材料的选择和制备方法。
（3）连接体；燃料电池的单电池功率很低，为了获得较大的输出功率，必须将单电池串联和并联到一起，组成电池堆。在SOFC电池堆中，连接体的作用是连接单电池，同时将燃料和空气隔绝开。目前，连接体材料主要集中于合金材料和LaCrO3基陶瓷材料两种；
（4）燃料；燃料电池的燃料可以是气态的（如氢气），也可以是液态的（如甲醇），少数情况下，固态碳也可以用作燃料电池的燃料；
1.2.2 燃料电池的特点及分类
燃料电池作为一种新型电池，主要有以下特点：
优点：
效率高。燃料电池可以直接将化学能转化为电能，能量转化率在50%左右，综合效率甚至可以达到80%，效率远远高于内燃机；
可靠性高，寿命长。燃料电池拥有全固态部件，无移动部件，非常可靠；
污染少、噪声低。在工作过程中，反应的生成物主要是水蒸气等洁净气体，污染物排放量几乎为零，同时，燃料电池发电的过程中，机械部件摩擦少，几乎无噪音；
燃料来源种类多。可以用作燃料电池的燃料包括天然气、氢气和液化燃料等，也可以使用沼气、甲醇等。由于燃料电池来源十分广泛，如果普及燃料电池，在一定程度上可以解决能源危机；

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