SOFC模型在Fluent中是作為一個(gè)附加模塊提供的，其包括UDF庫及預(yù)編譯的Scheme庫(包含圖形和文本用戶界面)，需要在執(zhí)行計(jì)算之前加載并激活。

(資料圖片)

本案例演示利用Fluent中的SOFC模型模擬固體氧化物燃料電池。

問題描述

本案例所考慮的管狀SOFC如圖所示。陽極入口通入溫度973 K，質(zhì)量流量2.48949e-7 kg/s的濕氫氣；陰極入口通入溫度973 K，質(zhì)量流量1.3705e-5 kg/s的空氣。陰極與陽極由兩個(gè)同心圓柱體組成，圓柱體長度130 mm，陰極內(nèi)徑及外徑分別為4 mm及6 mm，陽極內(nèi)徑及外徑分別為6mm及7 mm。活性電解質(zhì)材料厚度40 微米，位于陰極與陽極中間。

本案例中陽極與陰極集流體的外壁保持絕緣。燃料和氧化劑通過多孔陽極和陰極材料進(jìn)入電解質(zhì)區(qū)域。燃料在電解質(zhì)區(qū)域和陽極的界面上發(fā)生電化學(xué)氧化。進(jìn)入空氣中的氧氣在電解質(zhì)區(qū)的界面處被電化學(xué)還原，整個(gè)反應(yīng)的結(jié)果是在陽極側(cè)形成水。利用SOFC模型計(jì)算燃料電池裝置的電流、電壓、組分和溫度分布。

Fluent設(shè)置以3D、Double Precision模式啟動(dòng)Fluent 讀取網(wǎng)格文件tubular sample.msh

2.1 General設(shè)置

點(diǎn)擊按鈕Scale…打開模型縮放對(duì)話框

選擇MeshWasCreatedIn為mm

點(diǎn)擊按鈕Scale縮放網(wǎng)格

點(diǎn)擊按鈕Close關(guān)閉對(duì)話框

點(diǎn)擊工具欄按鈕Domain→ Combine→Merge…打開區(qū)域合并對(duì)話框 如下圖所示合并計(jì)算區(qū)域flow-channel1-an與fluid 合并邊界inlet-an與inlet-an:034 修改邊界名稱electrolyte為wall-electrolyte-cathode 修改邊界名稱electrolyte-shadow為wall-electrolyte-anode-shadow

計(jì)算網(wǎng)格如圖所示。

2.2 Models設(shè)置

激活能量方程 采用Laminar進(jìn)行層流計(jì)算，激活選項(xiàng)ViscousHeating考慮粘性熱 激活Species Transport模型，如下圖所示 TUI窗口中輸入命令/define/models/addon-module4激活SOFC模型

2.3 設(shè)置SOFC模型

右鍵選擇模型樹節(jié)點(diǎn)SOFC(Unresolved Electrolyte)，點(diǎn)擊菜單項(xiàng)Edit…打開是設(shè)置對(duì)話框 激活選項(xiàng)Enable SOFC Model 進(jìn)入ModelParameters選項(xiàng)卡

指定參數(shù)CurrentUnder-RelaxationFactor為0.3

指定參數(shù)TotalSystemCurrent為8 Amp

指定參數(shù)ElectrolyteThickness為4e-5 m

指定參數(shù)ElectrolyteResistivity為0.1 ohm-m

進(jìn)入Electrochemistry選項(xiàng)卡，指定以下參數(shù) 設(shè)置參數(shù)AnodeExchangeCurrentDensity為1e20 設(shè)置參數(shù)CathodeExchageCurrentDensity為512 其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置 進(jìn)入ElectrolyteandPorousZones選項(xiàng)卡，如下所示設(shè)置參數(shù) 指定AnodeElectrolyte為wall-electrolyte-anode-shadow 指定CathodeElectrolyte為wall-electrolyte-cathode 選擇ZoneSelection為Anode，設(shè)置參數(shù)TortuosityValue為3 進(jìn)入ElectricField選項(xiàng)卡，如下圖所示設(shè)置參數(shù)

這里在contact surface and Resistance列表中選擇的是邊界面wall-cathode-cc及wall-anode-cc:032。

2.4 定義材料介質(zhì)

加載SOFC模型后，F(xiàn)luent自動(dòng)創(chuàng)建了一些材料介質(zhì)：anode-collector-default、andoe-default、cathode-collector-default、cathode-default。

1、設(shè)置材料anode-default

修改其名稱為anode-material，并如下圖所示修改材料參數(shù)

2、設(shè)置材料cathode-default

如下圖所示修改名稱及參數(shù) 設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)的參數(shù)分別為：，，如下圖所示

3、修改材料current-collector-default

4、修改材料cathode-collector-default

5、創(chuàng)建材料current-collector-material

材料參數(shù)如下圖所示

6、設(shè)置mixture-temperature

混合組分如下圖所示 混合材料參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

2.5 設(shè)置區(qū)域

指定計(jì)算區(qū)域anode的多孔介質(zhì)參數(shù)，如下圖所示，其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置 區(qū)域cathode的參數(shù)設(shè)置如下圖所示，與anode設(shè)置相同 指定固體區(qū)域anode-cc的材料參數(shù)，如下圖所示 指定固體區(qū)域cathode-cc的材料參數(shù)，如下圖所示

2.6 指定邊界條件

1、指定邊界inlet-an

指定質(zhì)量流量為2.48949E-7 kg/s 指定溫度為973 K 進(jìn)入Species選項(xiàng)卡，如下圖所示指定組分

2、指定邊界條件inlet_ca

指定流量為1.3705e-5 kg/s 指定溫度為973 K 指定組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置。

2.7 Controls設(shè)置進(jìn)入Controls任務(wù)頁，點(diǎn)擊按鈕Limits…打開設(shè)置對(duì)話框，如下圖所示

2.8 設(shè)置殘差

指定殘差標(biāo)準(zhǔn)，如下圖所示

2.9 初始化計(jì)算

采用Hybrid初始化

2.10進(jìn)行計(jì)算

迭代計(jì)算300步

計(jì)算結(jié)果wall-electrolyte-cathode面上電勢(shì)分布 wall-electrolyte-cathode面上溫度分布 wall-electrolyte-cathode面上電流密度 wall-electrolyte-cathode面上超電位 wall-electrolyte-anode-shadow面上氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)