Расчетно-теоретическое исследование процессов переноса в твердооксидном топливном элементе

• Автор: Касилова, Екатерина Валерьевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение
ГЛАВА
Исследования и разработка твердооксидных топливных элементов
1.1 Состояние разработок ТОТЭ
1.1.1 Принцип работы ТОТЭ
1.1.2 История и общие тенденции развития
1.1.3 Области применения ТОТЭ
1.2 Методы расчета ТОТЭ
1.2.1 Термодинамический расчет
1.2.2 Эмпирические модели
1.2.3 Поляризационные модели
1.2.4 Вычислительные гидродинамические модели
1.2.5 Аналитические гидродинамические модели
ГЛАВА
Массоперенос в пористых электродах твердооксидного топливного элемента
2.1 Физические процессы, протекающие в электродах
2.2 Состояние исследований
2.3 Анализ влияния градиента давления в пористом аноде на распределение концентраций топлива и продукта реакции
2.4 Сравнение результатов расчета с экспериментом
ГЛАВА
Гидродинамика и массоперенос в газовых каналах ТОТЭ
3.1 Конструкции современных ТОТЭ
3.2 Математическая модель топливного канала ТОТЭ
3.3 Теоретический анализ
3.4. Численный расчет
3.4.1 Оценка неравномерности концентраций в поперечном сечении канала
3.4.2 Результаты параметрического анализа
3.5 Сопоставление с экспериментом
ГЛАВА
Сопряженный массоперенос в ТОТЭ с протяженными газовыми каналами
4.1 Расчет распределения тока с учетом гидродинамики и массопереноса в газовых каналах
4.1.1 Случай низкой активационной поляризации
4.1.2 Случай высокой активационной поляризации
4.1.3 Применимость полученного решения
4.2 Верификация модели ТОТЭ по экспериментальным данным
4.2.1 Исследование распределения тока по длине элемента
4.2.2 Анализ концентрационной поляризации с учетом влияния массопереноса в топливном канале
4.3 Апробация модели ТОТЭ
Заключение
Список литературы
Приложение А

Введение
Актуальность работы. Повышение эффективности производства электроэнергии является одной из глобальных проблем современности. Энергетическая политика развитых стран включает в себя поиск технических решений, основанных на новых принципах генерации. Одно из активно развивающихся направлений связано с разработкой энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), которые характеризуются значительной термодинамической эффективностью электрохимического преобразования энергии и практически полным отсутствием вредных выбросов. Высокий коэффициент полезного действия, модульность конструкции, возможность когеиерации тепла и способность работы на разных видах топлива делают установки на основе ТОТЭ чрезвычайно перспективными для децентрализованного и автономного энергоснабжения.
Конструкция ТОТЭ представляет собой керамическую структуру, состоящую из электролита и примыкающих к нему пористых электродов с системой газораспределительных каналов, по которым подводятся реагенты и отводятся продукты электрохимической реакции. При работе ТОТЭ в электродно-электролитной сборке устанавливается некоторое распределение концентрации, плотности тока и температуры. Неравномерность распределения этих величин приводит к увеличению поляризационных потерь, снижению коэффициента утилизации топлива и возрастанию температурных напряжений, что негативно сказывается неэффективности и ресурсе элемента. Оптимизация рабочего режима и конструкции ТОТЭ, направленная на уменьшение градиентов электрических и термодинамических параметров является актуальной задачей, решение которой невозможно без изучения особенностей процессов переноса в элементе.
Работа ТОТЭ сопровождается взаимосвязанными процессами переноса заряда, массы, импульса и энергии, характерные линейные масштабы которых отличаются между собой на порядки. Экспериментальное исследование этих процессов требует применения совершенно различных подходов для каждого масштаба и является чрезвычайно сложной и затратной задачей. Поэтому для исследования работы топливных элементов широко применяются методы математического моделирования.
На сегодняшний день существует большое количество математических моделей ТОТЭ, разработанных для определенной конструкции элемента и применимых в ограниченном диапазоне конструктивных и рабочих параметров. В то же время актуальным и важным остается вопрос об определении общих закономерностей процессов в ТОТЭ.

систему дифференциальных уравнений (2.28) и (2.29) можно проинтегрировать и свести к системе алгебраических уравнений:
X, = Х0)+—J

{x-y)XnW~+
(2.34)
x = <5„
X^ + r

D ^ fad—prod

Xf] + y
+ {X1-Xf))
. (2.35)
neff n{ Dfff )
rn~ v _ fud-lprod с _ "Ufuel-prod)
і де / — ллїіі , G>0

У = > a значения л ;
X(0I, X(0>
V /лл.( «"»і у
вычисляются по заданным концентрациям топлива и продукта реакции на границе анод-газовый канал. С помощью обратной замены переменных можно получить распределение концентраций п/иеі(х) и п,,ГОІ/(х) по толщине анода в параметрическом относительно величины А(г виде. Уравнение (2.35) определяет значение Хг по заданному значению координаты анода
.х (рис. 2.5): 0 “ л‘ - 6«“, Х^0) < Х2 < ХГ .
Если перенос за счет бинарной диффузии преобладает над кнудсеновским переносом >>ІУ%а~р^ °кір, >>г>Іеі~РгоЛ то решение системы (2.34-2.35) сводится к линейным
формулам (2.17)-(2.18). Градиентом давления в аноде в этом случае можно пренебречь.
В общем случае влияние градиента давления на распределение концентраций в аноде мало, если в правой части уравнений (2.28)-(2.29) второе слагаемое значительно меньше первого

(2.36)
Градиент давления выражаем через мольные концентрации компонентов, используя уравнение идеального газа:
Ур = ДГ-У(л ,и,, + п„
prod /
(2.37)