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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