Fluent应用实例:SOFC燃料电池仿真

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


  • 激活能量方程


  • 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

  • 如下图所示修改名称及参数


  • 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


  • 材料参数如下图所示


6、设置mixture-temperature

  • 混合组分如下图所示


  • 混合材料参数保持默认设置



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

  • 指定质量流量为2.48949E-7 kg/s


  • 指定温度为973 K


  • 进入Species选项卡,如下图所示指定组分



2、指定边界条件inlet_ca

  • 指定流量 为1.3705e-5 kg/s


  • 指定温度为973 K


  • 指定组分的质量分数


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

  • 指定残差标准,如下图所示



2.9 初始化计算

  • 采用Hybrid初始化



2.10 进行计算

  • 迭代计算300步


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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