直接多元擴散火焰燃料電池反應機理及數值模擬

《直接多元擴散火焰燃料電池反應機理及數值模擬》是依託清華大學，由史翊翔擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：直接多元擴散火焰燃料電池反應機理及數值模擬
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：史翊翔
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

直接火焰燃料電池以富燃火焰與固體氧化物燃料電池直接耦合，無需密封，結構簡單，啟動快速，在熱電聯產、軍工、航空航天等領域具有重要套用前景。本項目針對直接多元擴散火焰燃料電池，設計新型富燃Hencken型平焰燃燒器，實現寬範圍火焰氣氛及溫度調節，掌握富燃條件下燃燒器結構、操作條件參數對火焰特性的調控規律，保證火焰平面度、還原性氣氛及穩定性。套用條紋圖案電極實現對電化學反應活性面積的定量調控，研究電極幾何結構、極化電勢及火焰調控狀態對直接火焰燃料電池性能的影響特性。綜合考慮火焰基元反應、電極電解質表面基元反應、三相界面多步電荷轉移基元反應以及電池的傳熱、傳質特性，建立多尺度、多物理場耦合基元反應模型，開發基於機理模型的極化曲線、電化學阻抗譜計算方法，探索火焰與電池熱效應耦合及化學/電化學反應耦合作用機制，為直接火焰燃料電池反應機理闡釋、構型設計及性能最佳化奠定理論基礎。

結題摘要

直接火焰固體氧化物直接碳燃料電池 (SOFC) 是一種具有重要套用前景的新型燃料電池, 將火焰與SOFC在無室構型下耦合。針對直接火焰SOFC的性能和機理研究對提高其性能至關重要。 在性能研究方面，本項目針對常規固體氧化物燃料電池電解質及電極材料體系，採用火焰組成及溫度調節範圍較廣的Hencken型平焰燃燒器與紐扣電池組成直接火焰固體氧化物燃料電池，研究了火焰操作條件參數對電池性能的影響規律。結果表明，Hencken型平焰燃燒器可以為直接火焰SOFC的運行提供平面方向均勻的溫度場，且此恆溫區可維持至少45mm。直接火焰燃料電池性能隨燃燒器出口與電池距離的減小、燃空當量比的增大、燃料流速的增大而升高。 反應機理方面，本項目開發了圖案電極的實驗手段，將其用於直接火焰SOFC陽極反應機理的鑑別中，並以此為基礎建立直接火焰SOFC基元反應模型。與紐扣式直接火焰SOFC的實驗數據對比，對基元反應模型進行驗證。進一步，建立了耦合多相催化反應、電化學反應、質量傳遞、電荷傳導、傳熱場的二維模型，套用該模型對直接火焰SOFC中電池類型、燃燒器選擇提供了理論依據。 基於性能研究與機理模型分析的結果，設計搭建了基於Hencken型平焰燃燒器與平板式SOFC的直接火焰燃料電池發電單元。以甲烷為燃料在不同火焰操作條件下對電池單元性能進行測試；通過綜合考慮燃燒效率、SOFC燃料利用率以及SOFC發電效率對直接火焰SOFC發電單元的發電效率進行分析，指出提高SOFC的燃料利用率是提高直接火焰SOFC發電單元性能的關鍵所在，在此基礎上提出了最佳化電池性能的改進方案。 在系統層面，基於Hencken型燃燒器在平面方向與軸向的均勻性，提出了結合Hencken型燃燒器與微管SOFC堆的新型直接火焰SOFC系統構型。基於gProms平台，建立了耦合直接火焰燃料電池、換熱器與雙效LiBr-H2O吸收式製冷器的小型家用熱電冷三聯供系統。通過調控當量比以及燃料利用率對系統進行了參數敏感性分析，隨當量比以及SOFC燃料利用率增加，系統發電效率升高，熱電比降低。同時，系統的發電效率為10~16%，而熱電聯供效率高達90%，證明基於直接火焰燃料電池的系統更適用於熱電聯供/熱電冷三聯供，而非僅用於供電。