甲烷重整在固体氧化物燃料电池中的数值模拟研究

"这篇论文是2010年由王求生和王乘发表在《机械科学与技术》期刊上的，探讨了固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）在甲烷直接内重整条件下的数值模拟。研究中，作者们基于SOFC的工作原理，建立了涵盖热质传输和电化学反应的数学模型，并使用FLUENT软件结合外部子程序进行求解，以分析重整反应和水气交换反应对电池性能参数的影响。他们还对比了不同工作电压下电池的温度、极化、电流密度等关键指标的变化。结果揭示，在0.682V的工作电压下，一氧化碳氧化产生的电流占总电流的18.5%，阴极极化是电池极化损失的主要因素。当工作电压在0.652V到0.702V之间变化时，总电流密度、功率密度、燃料利用率和发电效率均随电压增加而下降，同时三合一电极（Positive Electrolyte-Negative, PEN）的温度梯度也会减小。该研究对于理解SOFC的工作机制和优化其性能具有重要意义。" 本文详细阐述了固体氧化物燃料电池在甲烷直接内重整过程中的数值模拟研究。SOFC是一种高效能源转换装置，其工作原理是通过电解质传递氧气离子，使得燃料和氧化剂在电极上发生电化学反应，从而将化学能转化为电能。在本研究中，作者考虑了碳氢化合物（甲烷）作为燃料，特别关注重整反应和水气交换反应对电池性能的影响。 建立的数学模型包括热质传递和电化学反应的动态过程，利用FLUENT这一流体动力学软件进行求解，这为理解和预测电池的运行行为提供了强大的工具。研究发现，甲烷重整生成的一氧化碳在电极上也积极参与电化学反应，尤其是在0.682V的工作电压下，一氧化碳氧化贡献了总电流的约18.5%，显示出其对电池性能的显著影响。此外，阴极极化被确定为电池极化损失的主要来源，这表明优化阴极设计可能有助于提高电池效率。 通过改变工作电压，作者观察到电池性能参数的变化趋势，如总电流密度、功率密度、燃料利用率以及发电效率等随电压升高而降低。这暗示着在特定电压范围内，适当控制工作电压对于维持或提高SOFC的性能至关重要。同时，PEN电极的温度梯度也与工作电压有关，这也提示了在设计和操作SOFC时需要考虑温度分布的均匀性，以避免局部过热和性能下降。 这项研究深入探讨了甲烷直接内重整对固体氧化物燃料电池性能的影响，为提高燃料电池的效率和稳定性提供了理论基础和计算方法，对燃料电池技术的发展具有实际指导意义。