平板式SOFC仿真第一部分——几何建模

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1 前言

固体氧化物燃料电池（SOFC）是燃料电池的一种，与传统发电方式相比，它具有高效、清洁、低噪音、可靠性高等特点，同时具有维护成本低、燃料范围广、工作寿命长等优势，被誉为21世纪最具有前景的发电装置。其工作原理本质上为电化学反应，如下图，氧气经过阴极多孔电机被还原成氧离子，然后扩散到电解质反应层和从阳极多孔介质扩散层的气体发生电化学反应，与此同时失去电子，然后电子通过外电路到达阴极，从而形成一个完整的回路。

燃料电池本体的研究避免不了数值仿真技术的运用，通用CFD软件FLUENT自带了燃料电池模块，今天我会做一个详细的SOFC仿真案例介绍。需要做两点说明，首先这个案例比较复杂，几何模型本身很简单但是需要设置的东西相当多，且很多参数的设置会直接影响计算过程和计算结果；其次本案例的SOFC相关物性参数都是假定的，因此不具备真实的产品意义。本案例的内容很多，请耐心跟着步骤做，应该是可以成功仿真出来的。本案例我花了两天时间经过很多次尝试与琢磨才完成的，请务必尊重原创，杜绝暴力转载，如果觉得对您有参考帮助，请点个在看或者赞赏个辛苦费~

由于本案例内容步骤很多，因此分两部分写，第一部分介绍一下几何建模，第二部介绍一下计算设置，包括SOFC模型调用与设置、组分输运模型设置、材料属性、边界条件设置、求解器设置。本次更新第一部分内容，下一次更新第二部分内容，以免阅读疲劳

2 模型说明

我们仿真的是当前很火的平板式SOFC，实际的电堆形状大致如下图所示，阴极和阳极都有很多流道，根据两极介质的流向可以分为顺流、逆流和交叉流。

本次我取其中的一个流道进行仿真，且介质流向为顺流，如下图。

3 建模指导

上图是我在solidworks建立的模型，由阴极、阳极、电解质和集流板组成，此时进出口我没有封闭，导入到ICEM CFD之后再进行详细的几何处理。根据SOFC原理，电解质材料必须是固体，非多孔以及良好的离子传导特性（FLUENT 燃料电池帮助文档P50）。另外，为什么FLUENT的SOFC模块称作“SOFC model with unresolved electrolyte”？这是因为实际上电解质以及电解质和两极之间的接触层都没有建立真实的计算域，而是通过一对耦合面也叫做“electrolyte interfaces”来处理，由于电化学反应带来的组分、能量源项都是施加在这一耦合面相邻的计算单元上（FLUENT 燃料电池帮助文档P50），更详细的内容请查看帮助文档。因此在我们的模型中，电解质就是一个面了。

模型导入到ICEM CFD，需要进行如下的处理（务必这样做），最终的模型结果如下图。

首先建立计算域，并且计算域的名称和SOFC的组成对应起来方便后续操作。计算域汇总于下表。

序号	名称	类型	说明
1	ANODE	FLUID	阳极电极（多孔介质）
2	ANODE_CC	SOLID	阳极集流板
3	ANODE_FLOW	FLUID	阳极流道
4	CATHODE	FLUID	阴极电极（多孔介质）
5	CATHODE_CC	SOLID	阴极集流板
6	CATHODE_FLOW	FLUID	阴极流道

接下来把所有的面都进行命名以便后续的边界条件设定，这个步骤相当关键。我们先设定最重要的几个面：

①voltagetap surface，不知道准确的中文翻译是什么，按照帮助文档，这个面表示接地（也就是电压V=0），对于本案例我们将这个面放在阳极的顶部，如下图所示（黑色线框，下同），命名为WALL_VOTAGE-TAP。

② current tap surface，不知道准确的中文翻译是什么，按照帮助文档，这个面表示电流在该处被提取（也就是电流i被赋予了一个值）。对于本案例我们将这个面放在阴极的底部，如下图所示，命名为WALL_CURRENT-TAP。

③电解质层，也就是阴极和阳极的交界面，这个位置是电化学反应的核心，如下图所示，命名为ELECTROLYTE，实际上网格导入FLUENT后，这个面会被识别成coupled面，需要进行重要的边界条件设置，后续再说。

④阳极电极和集流板的接触面，电流将从电极经该面流向集流板，如下图所示，命名为ANODE_AND_ANODE_CC，这个面也是coupled面，后续需要进行重要的边界条件设置。

⑤阴极电极和集流板的接触面，电流将从电极经该面流向集流板，如下图所示，命名为CATHODE_AND_CATHODE_CC，这个面也是coupled面，后续需要进行重要的边界条件设置。

⑥阳极电极和流道的接触面，这也是流道和多孔介质电极的交界面，由于电极和流道都是流体域，因此，这个面的边界条件需要设置成interior边界，可以在ICEM CFD直接定义也可以导入FLUENT后将这个面有coupled面改成interior，如下图，命名为ANODE_FLOW_AND_ANODE。

⑦阴极电极和流道的接触面，这也是流道和多孔介质电极的交界面，由于电极和流道都是流体域，因此，这个面的边界条件需要设置成interior边界，可以在ICEM CFD直接定义也可以导入FLUENT后将这个面有coupled面改成interior，如下图，命名为CATHODE_FLOW_AND_CATHODE。