甲烷燃料新型微管固体氧化物燃料电池的理论建模与性能分析

This research project aims to develop a comprehensive multi-scale multi-physics theoretical and numerical modeling method for the novel micro-tubular solid oxide fuel cell with nano-composite electrode fueled with methane (named as nmt-SOFC below). The numerical model will be used for performing property analysis and design optimization of nmt-SOFC. The main research activities include: 1) Using the percolation and coordination number theories to develop the theory for the effective electronic and ionic conductivities of nano-composite porous electrode and explain the experimental observations. 2) Using the first principle calculations to develop the kinetics models for the chemical and electrochemical reactions of methane fuel in porous electrode. 3) Combining the chemical and electrochemical reaction models, theory of gas transport in porous medium and equations for current conduction, thermal conduction and fluid mechanics to develop a multi-scale multi-physics numerical model for nmt-SOFC with methane fuel. 4) Performing multi-physics numerical modeling analysis to gain deep understanding of the effects of the structural and operating parameters of nmt-SOFC on the distributions of current, temperature and gas species and the overall performance of nmt-SOFC. 5) Developing the theory for the Ni particle growth and performing numerical analysis using the time dependent model to understand the effects of material composition and microstructure on the properties of nmt-SOFC. The modeling analysis is further used to propose the optimal electrode design and operating parameters for the stable operation of nmt-SOFC.

本项目旨在建立综合性的甲烷燃料新型纳米复合电极微管固体氧化物燃料电池（nmt-SOFC）多尺度、多物理场耦合的理论与数值模拟方法，并以此进行性能优越的nmt-SOFC 设计。主要研究内容包括：1）基于渗流与配位数理论，发展纳米复合多孔电极的有效电子与离子电导率理论，解释实验观察结果；2）通过密度泛函理论计算，发展甲烷燃料在多孔电极中的化学和电化学反应动力学模型，并解释实验现象；3）综合化学与电化学反应模型、多孔介质气体输运理论、电流输运方程、热传导方程和流体力学方程，建立甲烷燃料nmt-SOFC多尺度多物理场耦合数值模拟方法；4）通过多场耦合数值模拟，深刻认识微管SOFC结构和工作参数对电流、温度、气体组分等物理场分布和电池整体性能的影响；5）建立Ni颗粒生长模型，通过动态模型理解材料组分与微结构对电池性能的影响，进而提出性能稳定的微管SOFC电极设计与工作运行参数。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是将化学能直接转换为电能的高效装置。由于其高工作温度，SOFC能直接使用甲烷等碳基燃料，与现有能源结构高度匹配，现实意义重大。纳米复合电极微管SOFC（nmt-SOFC）是新近提出的SOFC设计，具有大幅提高SOFC发电性能的潜力。本项目旨在建立综合性的甲烷燃料nmt-SOFC多尺度、多物理场耦合的理论与数值模拟方法，并以此进行性能优化设计。本项目的主要研究内容与取得的创新性成果包括：（1）基于渗流与配位数理论，推导出了纳米复合多孔电极有效电导率等性质的解析理论表达式。该理论结果为常规Ni逾渗阈值下浸渍电极具有导电性和电导率随Ni组分变化的定量关系做出了正确解释，也为纳米复合电极的优化设计奠定了基础。（2）基于表面扩散机制、表面能与颗粒尺寸的拉普拉斯关系及复合多孔电极的随机连通性特征，推导提出了首个理论上自洽的Ni颗粒生长演化模型，合理解释了实验结果。（3）通过微观机理分析和理论计算，给出了甲烷分子的第一步脱氢是甲烷水重整的控速步骤和C与H2O反应是积碳动力学过程中的消碳主要机制的理论依据，阐明了甲烷燃料阳极化学与电化学反应动力学特异性机制。（4）提出了基于电化学势平衡的碳基燃料SOFC多物理场耦合理论模型，为正确理解碳基燃料、特别是低水碳比甲烷燃料的多物理场耦合工作原理与性能行为奠定了基础。（5）通过理论模拟与实验结果的比较，提出了崭新的低水甲烷燃料的反应速率方程，并精确地确定了相应的反应活化能及水反应级数。（6）与通过理论模拟，对新型微管SOFC结构和工作参数对诸物理场分布的影响规律有了深刻认识，提出了高发电性能的微管SOFC结构设计。（7）模拟分析了SOFC的性能演化，给出了连接体、电解质、Ni阳极对SOFC性能演化的定量影响，提出了减缓性能劣化的材料设计方案。项目执行期间，发表了标注本项目支持的论文36篇，申报专利2项（已公开）。