摘要：模式电极因其结构可控、电化学/化学反应活性位和物质传输路径明确等优势,被广泛应用于固体氧化物燃料电池新型电极研究.现有研究多采用模式电极研究新材料电化学特性、表界面催化反应机理等,尚未涉及几何结构对其内部传输与电化学反应耦合机理的影响,限制了模式电极的应用.本文建立了固体氧化物燃料电池阳极内电荷传输与电化学反应过程的格子玻尔兹曼模拟方法,明确了控制电极过程的关键无量纲参数及其对电极性能的影响规律,研究了模式阳极几何结构的影响机理.根据电极性能对无量纲参数的敏感程度,绘制了指导模式阳极设计与运行的相图,指出相图过渡区(电极性能随操作参数显著变化区域)为进行反应机理研究的最佳操作参数取值范围.同时,研究发现模式阳极电子导体内电子的快速迁移虽不限制阳极性能,其几何结构显著影响过渡区范围;离子导体内离子迁移为影响阳极性能的限速步骤,但其几何结构几乎不影响过渡区范围.本文的数值方法与机理研究结果可为固体氧化物燃料电池模式电极的设计提供重要理论依据.

摘要：晶界或异质界面诱发的空间电荷层(space charge layer,SCL)效应,被认为是氧离子导体电解质内界面附近区域载流子传输特性显著区别于体相区域的关键原因之一.现有研究多采用Poisson-Boltzmann(PB)方程预测SCL效应的影响规律,但其基于载流子电化学平衡假设,无法用于载流子存在宏观运动的工况,极大限制了相关传输机理研究.本文耦合Poisson方程和载流子质量守恒方程,建立了适用于载流子具有宏观运动时氧离子导体内载流子传输过程的模型,推导了控制SCL效应的关键无量纲参数.聚焦固体氧化物燃料电池中常用的AO2-M2O3氧离子导体电解质,对比研究了传统PB方程和本文建立的Poisson-载流子质量守恒耦合方程的预测结果可靠性.进一步采用耦合模型深入分析了考虑SCL效应时氧离子导体内部氧空位传输机理,发现导体界面电流密度增大导致SCL电阻先减小后增大.增大无量纲Debye长度(表征空间电荷层厚度与导体厚度的比值)可显著增大SCL电阻.当驱动氧空位移动的过电势与热势数量级相当时,增大无量纲电势(表征过电势与热势的比值)导致SCL电阻增大;当过电势远小于热势时,改变无量纲电势对氧空位传输过程几乎无影响.本文研究结论可为通过合理设计晶界或异质界面以改善氧离子导体内载流子传输能力及最终提高相关电化学器件性能提供理论依据.

摘要：纳米复合电极是提高中低温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)性能的新型前沿技术,其内部三相界面(three phase boundary,TPB)处空间电荷层(space charge layer,SCL)效应凸显,显著影响氧空位传输能力,是其性能优异的重要原因之一.现有研究广泛采用Poisson-Boltzmann方程模拟SCL效应,受限于载流子电化学平衡假设(导体净电流为零),难以准确地揭示SOFC运行条件下(净电流不为零)SCL效应的影响规律.针对SOFC模式电极,本文耦合Poisson方程与载流子质量守恒方程,建立了运行条件下考虑SCL效应的氧空位传输数理模型及数值模拟方法.模拟研究表明,SCL效应导致TPB附近产生明显的氧空位浓度梯度,从而产生显著的扩散电流,其数值甚至高于电势梯度驱动的迁移电流.采用SCL电阻表征SCL效应对氧空位传输过程的影响,发现随着无量纲Debye长度与无量纲电势的增大,SCL电阻呈现减小的变化趋势;增大无量纲平均电流密度,SCL电阻逐渐增大.本文研究工作可为通过科学设计纳米复合电极以提高中低温SOFC性能提供理论依据.

摘要：针对传统管式重整反应器甲烷转化率低的问题,设计了一种具有多端口进料结构的微型管式重整制氢反应器,并采用COMSOL多物理场模拟软件对该反应器的重整性能进行了计算研究,分析了反应温度、汽碳比等工作参数对其性能的影响规律。计算结果表明:当反应温度在773~973K范围内变化时,甲烷转化率以及产物中H2、CO的摩尔分数会随反应温度升高而增大;当汽碳比在2~4范围内变化时,甲烷转化率随汽碳比增大而增大,而产物中H2、CO的摩尔分数则随着汽碳比的增大而减小;沿气体流动方向,甲烷转化率和产物中H2、CO的摩尔分数受进料多端口特征的影响呈锯齿状波动变化,并呈总体上升趋势,在反应器出口处达到最大值。将多端口进料结构反应器与传统管式反应器进行比较研究,发现所提出的新结构反应器分别在600~1 100K的反应温度区间以及2~5汽碳比区间内其甲烷转化率都高于传统管式反应器;在873~973K区间内甲烷转化率可达93%左右;当汽碳比增大到4后,继续增大汽碳比对甲烷转化率的提高已无明显作用,建议合理的汽碳比区间为3~4。