2.3　模型驗(yàn)證

2.3.1　模型描述

在SOFC工作過程中，燃料通過燃料氣道入口連續(xù)不斷地為SOFC提供電化學(xué)反應(yīng)所需的燃料，如圖2-1所示。燃料氣體從燃料氣道擴(kuò)散到多孔陽極的反應(yīng)位置，在反應(yīng)位置燃料氣體被氧化為產(chǎn)物，然后產(chǎn)物再?gòu)姆磻?yīng)位置擴(kuò)散到燃料氣道，最后通過燃料氣道的出口排出。因?yàn)樵跉獾琅c陽極交界面不同位置的燃料組分不同，所以需要用3D模型全面描述陽極中的質(zhì)量輸運(yùn)。然而z方向的一維模型可以用來測(cè)試DGMFM的準(zhǔn)確性（如果在測(cè)試中包括不同的燃料組分）。

物質(zhì)i摩爾質(zhì)量守恒在z方向的一維形式為：

　　（2-17）

式中，Ri是物質(zhì)i的生成速率（+）或消減速率（-）。Ni通過DGMFM[方程（2-16）]計(jì)算或者DGM[方程（2-1）]計(jì)算。

在接下來的DGMFM測(cè)試中，燃料氣體是由甲烷、水蒸氣、一氧化碳、氫氣和二氧化碳組成。在多孔陽極中考慮了甲烷的重整反應(yīng)（CH4+H2OCO+3H2）和一氧化碳的水汽變換反應(yīng)（CO+H2OCO2+H2）。甲烷重整速率可寫為[3，8，39]：

　　（2-18）

式中，是單位體積中的Ni的活化表面積，m2·m-3。水汽變換反應(yīng)速率表達(dá)式為[3，8，39]：

　　（2-19）

依照實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)，我們假設(shè)CO的電化學(xué)反應(yīng)相對(duì)于水汽變換反應(yīng)和氫氣的電化學(xué)反應(yīng)可以忽略。氫氣在陽極-電解質(zhì)交界面（圖2-1中z=L處）的摩爾流量根據(jù)法拉第定律可以寫為：

　　（2-20）

式中，J0是操作電流密度；F是法拉第常數(shù)。

在陽極與燃料氣道交界面處，各種氣體的濃度被設(shè)置，總的氣壓為1atm（1atm=101325Pa）。

2.3.2　數(shù)值模擬方法和模型參數(shù)

有限元商業(yè)軟件COMSOL MULTIPHYSICS?? Version 3.5[30]被用來求解上面描述的SOFC多孔陽極質(zhì)量運(yùn)輸模型，其中物質(zhì)的流量是用DGMFM計(jì)算的。基于DGM的物質(zhì)流量的數(shù)值解是使用Zhu和Kee提出的對(duì)稱矩陣的逆算法獲得[13]。

基本模型參數(shù)和邊界條件如表2-1所示，這些參數(shù)典型的實(shí)際工作參數(shù)，除非其他說明，否則使用表2-1中的參數(shù)。

續(xù)表　　

應(yīng)該通過測(cè)試各種可能影響氣體在多孔介質(zhì)中的輸運(yùn)參數(shù)，來驗(yàn)證DGMFM的有效性和準(zhǔn)確性。這些參數(shù)可以廣泛的分為兩類。一類包括多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如孔徑、曲率、SOFC陽極厚度；另一類包括SOFC的操作參數(shù)，例如電流密度、溫度、燃料組分。因此DGMFM準(zhǔn)確性分析分為三部分：①基本模型參數(shù)時(shí)DGMFM準(zhǔn)確性分析；②不同陽極結(jié)構(gòu)時(shí)DGMFM準(zhǔn)確性分析；③不同操作條件時(shí)DGMFM準(zhǔn)確性分析。