纳米多孔电极中多组分流体的传递理论及热力学控制机理

The project studies the transfer theory and thermodynamic control mechanism of multicomponent fluid in porous electrode materials of the SOFC systems. The coupling characteristics between the micro transfer and micro reaction process in nano-porous electrode materials will be further analyzed. Based on the Fick’s law, Stefan-Maxwell formulation and Dusty Gas model, the process will be comprehensive analyzed. Combined with the SOFC AC impedance test analysis, the transfer theory of multiphase and multicomponent fluid will be established in the porous electrode materials. On the basis, using the theory of non-equilibrium thermodynamics, the phenomenological theory of the irreversible process in porous electrode will be established. The micro flow and micro diffusion transfer phenomena will be elaborately organized to a macroscopic phenomenological framework, and the electro catalytic reaction and transport phenomena in electrode will also be systematically treated. Thus a more reasonable dominated equation and its solution can be built. The analysis method and theoretical model is established for the system of transfer and reaction processes in the porous SOFC electrode. Through in-depth study of the coupling mechanism between the micro flow, micro diffusion and micro reaction on nano- and micron-scales, it can be lay the theoretical foundation for the application of SOFC in practice.

本项目研究SOFC多孔电极材料中多组分流体的传递理论及热力学控制机理，深入分析纳-微孔电极材料中微传递过程与微反应过程的耦合特性。基于Fick模型、Stefan-Maxwell模型和Dusty Gas模型三种模型进行综合分析，结合SOFC交流阻抗法进行测试分析，建立多孔电极材料中多相、多组分流体的传递理论。在此基础上，利用非平衡态热力学理论，建立多孔电极中不可逆过程的唯象理论，将其中的微流动、微扩散等传递现象统一组织在一个宏观唯象的框架中，并把电极中的电催化反应与传递现象进行统一处理，从而建立更加合理的支配方程并求解，为SOFC多孔电极中的传递和反应过程建立系统的分析方法和理论模型。深入研究纳-微尺度下的微流动、微扩散和微反应的耦合机理，从而为SOFC在实际中的应用奠定理论基础。

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为高效、环境友好的全固态发电装置，能够在中高温下快速发生化学反应，产生较高的效率。目前的SOFC研究中，对于多组分气体通过微孔电极材料的扩散问题、气体传递理论研究尚不完善；气体扩散、解离吸附、催化—氧化还原反应等特性对于SOFC极限电流的影响还需系统实验研究；SOFC内部多孔电极催化反应的非平衡热力学不可逆过程的研究尚未建立。针对这些问题，本项目完成的主要研究有：①实现多相多组分流体在多孔电极材料中的物性参数的测定；②建立多组分气体在多孔电极材料中传递理论模型；③建立多组分气体在多孔电极材料中输运方程的数值模拟方法；④建立多孔电极材料中Graham定律和DGM模型；⑤建立多孔电极材料扩散阻抗的分析与测试系统；⑥开展多孔电极材料中的非平衡态热力学研究。.本项目首先测定了多组分气体在不同条件下的物性参数，如浓度、分压、电传导率、渗透率、扩散系数等，通过对物理模型简化、构建数学模型建立SOFC内部多组分气体传递过程模型，通多对最常用的三种气体扩散模型进行比较、分析及求解，确定较优的模型方案，进而揭示了SOFC多孔电极材料中多组分流体的传递理论及热力学控制机理；从电极微结构对化学/电化学反应机理和传递现象的影响出发，建立了微结构模型，随后，将该微结构模型同电荷、质量、动量、多组分和传热等多物理输运过程和甲烷重整化学反应以及电化学反应的宏观模型相结合，建立了一个全耦合高仿真的三维SOFC电堆模型，深入分析了纳-微孔电极材料中微传递过程与微反应过程的耦合特性及规律，确定SOFC最佳操作条件和多孔电极最佳结构优化；建立了一套SOFC交流阻抗法实验测试装置，开发多组分流体在纳微多孔材料中扩散阻力的测试分析方法；利用非平衡态热力学理论，将多孔电极中的微流动、微扩散等传递现象统一组织在一个宏观唯象的框架中，并把电极中的电催化反应与传递现象进行统一处理，建立了多孔电极中不可逆过程的唯象理论，为SOFC的发展和应用奠定了理论基础。