SOFC模型在Fluent中是作为一个附加模块提供的,其包括UDF库及预编译的Scheme库(包含图形和文本用户界面),需要在执行计算之前加载并激活。本案例演示利用Fluent中的SOFC模型模拟固体氧化物燃料电池。
问题描述
本案例所考虑的管状SOFC如图所示。阳极入口通入温度973 K,质量流量2.48949e-7 kg/s的湿氢气;阴极入口通入温度973 K,质量流量1.3705e-5 kg/s的空气。阴极与阳极由两个同心圆柱体组成,圆柱体长度130 mm,阴极内径及外径分别为4 mm及6 mm,阳极内径及外径分别为6mm及7 mm。
活性电解质材料厚度40 微米,位于阴极与阳极中间。
本案例中阳极与阴极集流体的外壁保持绝缘。燃料和氧化剂通过多孔阳极和阴极材料进入电解质区域。燃料在电解质区域和阳极的界面上发生电化学氧化。进入空气中的氧气在电解质区的界面处被电化学还原,整个反应的结果是在阳极侧形成水。利用SOFC模型计算燃料电池装置的电流、电压、组分和温度分布。
Fluent设置
- 以3D、Double Precision模式启动Fluent
- 读取网格文件tubular sample.msh
2.1 General设置
- 点击按钮Scale…打开模型缩放对话框
- 选择Mesh Was Created In为mm
- 点击按钮Scale缩放网格
- 点击按钮Close 关闭对话框
- 点击工具栏按钮Domain → Combine → Merge...打开区域合并对话框
- 如下图所示合并计算区域flow-channel1-an与fluid
- 合并边界inlet-an与inlet-an:034
- 修改边界名称electrolyte为wall-electrolyte-cathode
- 修改边界名称electrolyte-shadow为wall-electrolyte-anode-shadow
计算网格如图所示。
2.2 Models设置
- 采用Laminar进行层流计算,激活选项Viscous Heating考虑粘性热
- 激活Species Transport模型,如下图所示
- TUI窗口中输入命令/define/models/addon-module 4激活SOFC模型
2.3 设置SOFC模型
- 右键选择模型树节点SOFC(Unresolved Electrolyte) ,点击菜单项Edit…打开是设置对话框
- 激活选项Enable SOFC Model
- 进入Model Parameters选项卡
- 指定参数Curre nt Under-Relaxation Factor为0.3
- 指定参数Total System Current为8 Amp
- 指定参数Electrolyte Thickness为4e-5 m
- 指定参数Electrolyte Resistivity为0.1 ohm-m
- 进入Electrochemistry选项卡,指定以下参数
- 设置参数Anode Exchange Current Density为1e20
- 设置参数Cathode Exchage Current Density为512
- 其他参数保持默认设置
- 进入Electrolyte and Porous Zones选项卡,如下所示设置参数
- 指定Anode Electrolyte为wall-electrolyte-anode-shadow
- 指定Cathode Electrolyte为wall-electrolyte-cathode
- 选择Zone Selection为Anode ,设置参数Tortuosity Value为3
- 进入Electric Field选项卡,如下图所示设置参数
这里在contact surface and Resistance列表中选择的是边界面wall-cathode-cc及wall-anode-cc:032。
2.4 定义材料介质
加载SOFC模型后,Fluent自动创建了一些材料介质:anode-collector-default、andoe-default、cathode-collector-default、cathode-default。
1、设置材料anode-default
- 修改其名称为anode-material,并如下图所示修改材料参数
2、设置材料cathode-default
- 设置两个点的参数分别为:[1073.15 570],[1273.15 565],如下图所示
3、修改材料current-collector-default
4、修改材料cathode-collector-default
5、创建材料current-collector-material
6、设置mixture-temperature
2.5 设置区域
- 指定计算区域anode的多孔介质参数,如下图所示,其他参数保持默认设置
- 区域cathode的参数设置如下图所示,与anode设置相同
- 指定固体区域anode-cc的材料参数,如下图所示
- 指定固体区域cathode-cc的材料参数,如下图所示
2.6 指定边界条件
1、指定边界inlet-an
2、指定边界条件inlet_ca
其他参数保持默认设置。
2.7 Controls设置
- 进入Controls任务页,点击按钮Limits...打开设置对话框,如下图所示
2.8 设置残差
2.9 初始化计算
2.10 进行计算
计算结果
- wall-electrolyte-cathode面上电势分布
- wall-electrolyte-cathode面上温度分布
- wall-electrolyte-cathode面上电流密度
- wall-electrolyte-cathode面上超电位
- wall-electrolyte-anode-shadow面上氢气质量分数
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