固体氧化物燃料电池电堆多场建模技术发展与性能优化设计

Multiphysics fully coupled modeling capabilities and simulations of production scale solid oxide fuel cell (SOFC) stacks are critically important for the development of high performing and durable SOFC technology. Responding to this need, we propose to conduct the following researches: 1) Improving multiphysics modeling capacity for the simulations of production scale SOFC stacks. It is known that the main factor limiting the multiphysics modeling capacity of SOFC stack is associated with the numerical solutions of multiphysics processes in the rib covered regions of electrodes that have only minor contributions to the stack power output. Taking advantage of this observation, we will derive approximate analytical expressions to replace the numerical solutions in the regions. Numerical testing will be conducted to determine the optimal values of fitting parameters in the analytical expressions to ensure the required accuracies of the analytical expressions. The analytical expressions eliminate the need of coupled numerical solutions in the regions, allowing for the use of a much reduced number of numerical grids for the stack models. As a result, the stack modeling capacity can be drastically increased and multiphysics fully coupled numerical models for production scale stacks can be constructed. 2) Extensive parametric studies with the stack models to gain in-depth understanding of the multiphysics coupling processes and their effects on the stack performance. Simulation results will also be used to determine the optimal values of the stack geometric and operating parameters for the optimal performance of the stacks. 3) Simulations for the systematic study of the effects of the structural evolutions and property changes of key SOFC materials on the stack performances. The simulations will reveal the key material factors affecting the stack performance degradation. The simulation results will be used in building a theoretical model for the prediction of stack service lifespan. Moreover, the optimal anode microstructure compositions for the high performing and lasting stack operations will be determined through the parametric simulation studies.

针对高性能长寿命固体氧化物燃料电池电堆技术发展所提出的产业化电堆多物理场全耦合建模能力和仿真研究的迫切需求，本项目拟开展如下研究：1）基于电堆建模技术主要困难源于对发电贡献小的电极区域的多场耦合求解的现实，通过对物理耦合方程和耦合物理过程的分析，开展该区域的多场解析理论求解，利用数值计算验证选取保障解析理论精确性的拟合参数，从而避免该区域的多场耦合数值求解，大幅减少建模所需网格数，提高数值稳定性，取得电堆多场耦合建模尺寸限制的重大突破，实现产业化电堆（千瓦级）多场全耦合数值模型的建立。2）开展深入系统的产业化电堆的多场耦合仿真研究，揭示电堆内部过程的多物理场耦合规律，并给出性能优化的电堆几何结构与工况参数。3）多场耦合模拟研究关键材料结构与物性演变对电堆性能的定量影响，归纳影响电堆长期性能的主次要因素，构建电堆寿命预测理论模型，并提出高性能长寿命的阳极材料微结构设计。

固体氧化物燃料电池（SOFC）技术的产业化依赖于其实际发电性能、能量转化效率及使用寿命的提高。本项目针对SOFC电堆性能设计缺乏系统理论指导、内部状态难以检测和衰减机理复杂等瓶颈问题，开展千瓦级电堆建模方法发展、多物理场耦合规律仿真和性能衰减因素分析研究，并据此提出高性能电堆结构设计和工况参数的优化选择。主要研究内容与取得的创新性成果包括：1）通过对连接体肋埂所覆盖电极部分的传质、传电、传热、化学和电化学反应过程的深入理论分析与数值验证，提出了高精度的电流、气体输运及电化学反应的显式关联表达式，获得了几何模型高保真反映实际千瓦级电堆结构和多物理场真实全耦合的数值建模方法。本研究结果在实现对千瓦级SOFC电堆多场耦合过程的精确仿真方面处于世界领先地位，为可靠地开展电堆结构设计与工况选择奠定了坚实的基础。2）模拟分析了不同电堆气道结构对电堆发电功率、物理场分布、发电效率与寿命的影响，证明了气流均匀性对电堆性能与寿命的高度重要性。构建了基于流体力学原理的气流分布理论模型，阐明了气道结构对气流分布的影响规律，提出了与多场数值模拟结果相符合的、能保障电堆气流均匀性的气道设计原理。该气道结构设计理论为实验工程人员改进电堆设计，提供了带有普适性的有益理论参考，兼具科学理论性与技术应用性强的特点。3）研究分析了电池部件材料如镍-YSZ阳极、YSZ电解质、镧锶錳阴极、SS430连接体的微结构演变所诱导的SOFC性能退化行为，发现镍颗粒粗化和SS430氧化层生长是SOFC性能退化的两大主要因素，并提出了能延缓镍颗粒粗化的阳极微结构设计方案。通过该阳极微结构设计，结合已知SS430抗氧化涂层，多场耦合模拟分析表明所得SOFC具有满足商业化所需的低衰减率。该研究结果对SOFC技术的实用化发展具有指导作用。4）研究分析了温度场对电堆力学性能演化的影响，首次给出了真实温度场情况下长达一万小时的SOFC部件材料的机械性能演化行为。发现蠕变使得密封材料的机械损伤概率随时间快速降低，首次对密封材料能长期稳定运行的现象给出了深层机制解释。研究还发现，空气流量对电堆温度、热应力和长期性能都有重要影响。为延缓电堆的性能劣化，氧气利用率需维持在约20%或更低。该结果对工况参数空气流量的选择具有普遍性的指导意义。已发表标注本项目支持的论文25篇，获得授权发明专利4项，另有待授权发明专利1项。