[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的多尺度模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种先进能源系统的多尺度模拟方法，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池的多尺度模拟方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。它具有高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等特点。

SOFC的工作原理与其他燃料电池相同，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H₂)、甲烷(CH₄)、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O₂得到电子变为O₂^-，在化学势的作用下，O₂^-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。单体电池只能产生1V左右电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组。目前SOFC组的结构主要为：管状(tubular)、平板型(planar)和整体型(unique)三种，其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。

目前，对固体氧化物燃料电池的传统的模拟方法大多是在某个单一的时间和/或空间尺度上进行，其结果不仅会掩盖该尺度下的结构效应，还会抹平更大尺度上的结构效应，从而造成显著的误差，特别是对结构敏感的传递和反应过程，如燃料电池中的传热与电化学反应过程。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前最接近商业化的发电技术之一。由于对其进行试验研究的代价和成本过高，各国学者针对它进行了大量的数值模拟研究。由于SOFC是一个复杂能源系统，其中涉及多种物理化学过程。目前在对宏观尺度上的单尺度仿真中普遍采用的平均方法无法深入模拟SOFC的内在机理，难以具备准确的预测功能。因此，如何对其进行深入而有效的模拟是SOFC设计、优化和实现商业化应用中存在的一个重要问题。

固体氧化物燃料电池是一种涉及多种物理化学过程的复杂系统，时空多尺度特征和行为是其中所有复杂现象的共同本质和量化的难点。目前，在对宏观现象的模拟中普遍采用的平均方法无法表达过程的内在机理，因而难以具备准确预测功能，这是工艺设备放大难以成功的原因。解决这一问题的根本出路在于实现基于微观机理的模拟。

近年来，研究材料的微观力学特性的分子动力学方法(MD)发展迅速，它建模简单，程序短小，可计算的原子体系大大超过第一原理等方法，在解释一些用理论分析和实验观测等方法都难以了解的微观现象上起到了不小的作用。多尺度模拟方法抓住了多尺度效应这一重要特征进行简化分析，尽管还未深入到过程的所有内在机制，但却是一种非常有效的途径。

随着计算机计算能力的不断提高以及算法的改进，分子动力学方法可处理的原子已经数以亿计，但仍达不到仿真实际系统的要求，在时间和空间尺度上受到极大的限制。为解决这一难题，多尺度模拟(Multiscale Modeling)方法应运而生，即把微观或介观尺度模型嵌入到连续介质模型中，采用分子动力学和格子-Boltzmann方法计算感兴趣的微小区域，而其他区域采用连续介质力学方法(如有限元方法、计算流体力学方法等)计算，不仅减小了计算量，而且使计算尺度得到了极大的扩展。

多尺度模拟方法的研究起步较晚，虽然目前取得了一定的成果，但涉及到的许多问题还有待研究，例如能解决的问题大部分仅限于宏观效应的模拟，且尚未形成体系；在空间及时间尺度等问题的处理上还很不理想，很多重要的实际物理条件被忽略；应用的领域狭窄等等。可见，它的发展空间还很巨大。今后的发展方向将是：(1)建立更符合实际的模型，并使模型多样化，使多尺度方法能够应用到更多的领域中，建立完整的体系；(2)研究更精确的耦合办法及发展多体势函数，准确描述物质的微观力学作用，提高仿真的可靠性；(3)采用更准确有效的算法，在保证仿真效果的同时，减小计算量等。