固体氧化物燃料电池电极无规则微结构对气体传质及电池性能作用机理的分形研究

In order to overcome the defects of the traditional method which is difficult to accurately characterize the electrode irregular microstructure of solid oxide fuel cell and more difficult to really reflect the influence of electrode irregular microstructure on its macroscopic properties, in this project, base on the irregular of electrode microstructure, fractal theory is proposed to characterize of electrode irregular microstructure. First, phase field model are used to construct electrode irregular microstructure, then two fractal dimensions are applied to characterize of electrode irregular microstructure. The pore size distribution in the electrode irregular microstructure is characterized by one fractal dimension. The other fractal dimension is used to characterize the tortuosity of the gas transfer path in electrode irregular microstructure. On the one hand, effective diffusion coefficient model is derived by combined with fractal dimension and dusty gas model. The dependence of effective diffusion coefficient on fractal dimension, microstructure parameters and fuel composition is revealed. On the other hand, multi-scales and multi-physical field coupling model of SOFC is established by considering the derived effective diffusion coefficient as the basic parameter. The relationship between cell performance and electrode microstructure is studied. This project provides a simple, accurate and efficient new approach for the further research about the effect of the irregular microstructure of electrode on its effective property and cell performance.

为了克服传统方法很难准确表征固体氧化物燃料电池（SOFC）电极无规则微结构、更难真实的反映电极无规则微结构对其宏观性质的作用机理的缺陷，本项目基于电极微结构的无规则特点，提出采用分形理论表征电极无规则微结构。首先利用相场模型构建电极无规则微结构，然后引入两个分形维数表征 SOFC 电极无规则微结构。一个分形维数表征电极无规则微结构中孔尺寸分布，另一个分形维数表征电极无规则微结构中气体通路的曲折程度。本项目一方面，结合分形维数和 Dusty gas model 推导有效扩散系数模型，揭示分形维数、电极微结构参数和燃料组分对有效扩散系数的作用规律。另一方面以发展的电极有效扩散系数为基本参数，建立跨尺度、多物理场耦合的 SOFC 模型，明确电池性能与电极微结构的依赖关系。本项目的开展为进一步研究电极无规则微结构对其宏观性质及电池性能的作用机制提供一种简单、准确、有效的新方法。

众所周知，固体氧化物燃料电池（SOFC）性能与其电极微结构密切相关。鉴于电极微结构的重要性，国内外围绕电极微结构对 SOFC 性能的影响，展开了大量的研究工作。但是由于电极微结构的无规则性，导致电极微结构对其宏观性质以及电池性能的作用机理尚不清楚。本项目针对传统粉末烧结电极中孔隙随机分布的特点提出了三维立方体堆积法重构电极微结构，并基于此结构推导了气体扩散曲率公式。通过与实验数据的对比，发现我们推导的曲率公式不仅在SOFC典型孔隙率范围内，与实验数据吻合，而且在大孔隙率（>0.6）时与著名的布拉格曼关系式一致。然后结合分形理论和尘气模型，考虑了孔尺寸分布对Knudsen扩散系数的影响，推导了有效气体扩散系数，揭示分形维数、电极微结构参数和燃料组分对有效扩散系数的作用规律。本项目还建立了跨尺度、多物理场耦合的 SOFC 模型。基于建立的模型，详细分析了阳极支撑与阴极支撑的SOFC性能差异的原因，提出了双电极支撑结构，分析了电极和电解质厚度对微管SOFC残余应力影响规律并获得了最小阳极厚度计算公式、设计了新型连接体及电堆结构，为高性能电堆的设计与开发提供了参考。在本项目的支持下，项目组共发表SCI 收录论文5 篇（第一标注），专著1部，申请5项中国发明专利，其中4项授权，培养本领域硕士研究生8名，其中2名已毕业获得硕士学位。