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Fluent案例|SOFC燃料电池

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1年前浏览4806

本案例演示利用Fluent中的SOFC模型模拟固体氧化物燃料电池。

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。

 

注:本案例来自Fluent案例集。

1 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。

2 Fluent设置

  • 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 Inmm
  • 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-anfluid
  • 合并边界inlet-aninlet-an:034
  • 修改边界名称electrolytewall-electrolyte-cathode
  • 修改边界名称electrolyte-shadowwall-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Current Under-Relaxation Factor0.3
    • 指定参数Total System Current8 Amp
    • 指定参数Electrolyte Thickness4e-5 m
    • 指定参数Electrolyte Resistivity0.1 ohm-m
  • 进入Electrochemistry选项卡,指定以下参数
    • 设置参数Anode Exchange Current Density1e20
    • 设置参数Cathode Exchage Current Density512
    • 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 Electrolytewall-electrolyte-anode-shadow
    • 指定Cathode Electrolytewall-electrolyte-cathode
    • 选择Zone SelectionAnode ,设置参数Tortuosity Value3
  • 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-ccwall-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

2.8 初始化计算

  • 采用Hybrid初始化

2.9 进行计算

  • 迭代计算300步

3 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

文件链接见附件。

(完)

来源:CFD之道

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FluentSystem化学燃料电池多孔介质UDFElectric材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-12-01
最近编辑:1年前
CFD之道
博士 | 教师 探讨CFD职场生活,闲谈CFD里外
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未登录
2条评论
Aba
签名征集中
5月前
谢谢老师
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仿真秀0816094316
签名征集中
1年前
请问这是不含电解质的简化模型吗
回复

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