1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高溫燃料電池，在軍事、電力及運輸上具有廣闊的應用前景，是當前國際新能源技術發(fā)展的一大熱點。SOFC工作過程中涉及的物理過程、化學過程和電化學過程并非互不相干而是強烈相互耦合的。通過實驗方法研究不同過程間的相互作用是一種非常昂貴且耗時的方式。相對而言，一方面數(shù)值模擬方法不僅成本低而且高效，另一方面數(shù)值模擬不僅有助于研究者加深對SOFC工作過程中的各種現(xiàn)象理解，而且非常容易的分析各種參數(shù)對SOFC性能的影

2、響，進而發(fā)現(xiàn)潛在問題，進行有針對性的優(yōu)化設計。隨著計算機和商業(yè)軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬方法變的越來越強大、越來越準確。因此在SOFC商業(yè)化的道路上，數(shù)值模擬方法扮演越來越重要的角色。
　　 本博士學位論文圍繞利用數(shù)值模擬方法優(yōu)化設計SOFC和磁控濺射陰極展開。本博士學位論文共分六章，下面簡單介紹各章的主要內(nèi)容。
　　 第一章首先介紹了燃料電池的研究背景和其發(fā)展歷史，然后詳細介紹了固體氧化物燃料電池的工作原理、能斯特(Nern

3、st)電勢、活化極化、歐姆極化、濃差極化、效率、各種構型和SOFC的數(shù)值模型的理論基礎。最后對SOFC的數(shù)值模擬工作進行了大致的文獻概述及磁控濺射技術在SOFC方面的應用。
　　 第二章首先分析了多孔介質中的三種輸運機制：分子擴散、Knudsen擴散和粘滯流針，對比了四種質量輸運模型：Fick's model(FM)、Advective-diffusivemodel(ADM)、Stefan-Maxwell model(SMM)和

4、Dusty gas model(DGM常翻譯為塵氣模型)，對于描述SOFC電極中的氣體擴散，塵氣模型是最準確的模型。然而塵氣模型中各種物質流量相互耦合在一起無法給出顯式表達式，并且塵氣模型很難求解。因此基于合理的近似，而且這個近似對二組分氣體是嚴格成立，塵氣模型被改寫為具有菲克定律形式，具有菲克定律形式的塵氣模型定義為DGMFM。對于多組分氣體混合物，DGMFM可以給出每種物質的流量顯示解析表達式。為了驗證DGMFM的準確性，我們分別基

5、于DGMFM和DGM建立了兩個SOFC陽極的質量輸運模型，模型同時還考慮了甲烷重整反應和一氧化碳的水位移反應。接下來系統(tǒng)的分析了各種參數(shù)對DGMFM準確性的影響例如孔的半徑、孔隙率、曲率因子等。全面的分析表明在SOFC各種實際的工作條件下，DGMFM和DGM預測的結果符合的很好。
　　 第三章針對陽極支撐的具有復合電極的SOFC，建立了一個二維的全面的數(shù)學模型。此模型不僅考慮了微結構參數(shù)和電極與連接體集流脊架(rib)間的接觸電

6、阻，而且耦合了復雜的相互依靠的離子導電過程、電子導電過程、氣體輸運過程、功能層中的電化學反應和電極與電解質交界面處的電化學反應。然后基于此模型對比了單電池和電池堆中的氣體濃度分布和電勢分布，發(fā)現(xiàn)電池堆性能遠不如單電池的一個主要原因是連接體幾何結構引起的極化損失。接下來我們分別詳細的分析了各種情況下陽極rib尺寸和陰極rib尺寸對電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)在各種實際的SOFC工作條件下陽極rib尺寸和陰極rib尺寸對電池性能的影響不可忽略。最后

7、給出了一個簡單的陽極rib寬度和陰極rib寬度優(yōu)化公式。
　　 第四章首先分析了SOFC不同區(qū)域所涉及的物理方程，然后基于平板式SOFC建立了一個三維多尺度具有復合電極的陽極支撐的SOFC數(shù)學模型，此模型耦合了離子導電方程、電子導電方程、氣體輸運方程、能量輸運方程和電化學反應過程。利用此模型分析了一些關鍵物理量的分布和接觸電阻對SOFC性能的影響。通過優(yōu)化陰極電流收集層的厚度、陰極電流收集層和陽極支撐層的平均導電子顆粒半徑，平均

8、電流密度從3679.A/m2增加到4000 A/m2。最后分析了陰極功能層(CFL)的離子電導率對SOFC性能的影響，發(fā)現(xiàn)CFL的離子電導率也是一個關鍵的參數(shù)。
　　 第五章首先簡單介紹了磁控濺射的原理和模擬方法，然后對我們的模擬方法進行了驗證。驗證結果證明了我們模擬方法的正確性。通過對比不同磁鐵磁化方向的設計，發(fā)現(xiàn)只需要改變磁鐵的磁化方向就可以輕而易舉的把水平磁場的分布形狀由凸形改變成凹形。因此不需要在靶材和磁鐵間加入屏蔽條。