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原文传递多孔介质内离子迁移机理研究

论文题名：	多孔介质内离子迁移机理研究
关键词：	碱金属热电直接转换器;离子迁移;数值模拟;电极性能
摘要：	碱金属热电转换研究是新能源领域的一个重要课题,碱金属热电直接转换器(AlkaliMetalThermaltoElectricConverter-AMTEC)是基于23?'?AlO固体电解质的独特性质即对离子是良导体、对电子绝缘特性制成的一种发电装置,它具有转换效率高、免维护等优点。BASE(Beta"-AluminaSolidElectrolyte)性能改变可以显著影响转换器的性能,所以对BASE结构和性能以及工质在其中迁移机理的研究尤为重要。　　本文主要是对AMTEC工质在固体电解质陶瓷BASE内的迁移机理进行研究,内容包括BASE微观结构及导电机理,钠离子在BASE陶瓷多孔介质内迁移的影响因素,BASE表面电极的微观形态、晶粒尺寸、电流密度等对电极性能的影响,电极内钠离子的流动问题,离子在阳极吸附以及在阴极逃逸的情况。　　本文首先建立AMTEC关键部件的数学模型,采用Simulink数值仿真方法对AMTEC中BASE模型、电极模型进行研究,包括BASE效率对AMTEC影响以及BASE离子阻抗的增长对转换器输出功率的影响。其次选取二维模型进行数值模拟计算,离子在微观多孔介质中的迁移应用微观Nernst-Planck离子迁移模型耦合偏微分方程来进行描述,微观模型的求解采用多物理场耦合分析软件COMSOLMultiphysics,分析了速度场、浓度场、电势场和温度场的变化情况以及运行温度、孔隙率、压力等因素对BASE性能的影响。　　BASE及电极的数学模型仿真结果表明:BASE对AMTEC的性能起到决定性作用,AMTEC电极对AMTEC性能也有重要影响。BASE内离子迁移的模拟结果表明:在电化学位驱动下,离子在多孔介质中的迁移模型需要考虑电场的耦合影响包括离子与离子之间、离子与固相颗粒表面电荷之间的电场耦合,压力梯度与电场共同作为驱动力来驱动钠离子的流动,压力梯度是主要的驱动力。综合离子在BASE内的迁移速率图、电势图、温度图、功率图的分析结果表明:同一温度下,随着极化电压的升高,电流密度增大,电极电压降低,输出功率逐渐增大,当电流密度继续增大到一定程度时输出功率将逐渐减小。通过对BASE性能的影响因素分析结果表明:不同热端温度下,随着温度的升高,电极电压增大,电极电流密度增加,输出功率增大;不同孔隙率下,随着孔隙率的增加,压力项驱动的流速的大小将增大,且浓度增加的越快;不同低压侧压力下,低压侧压力升高,有利于离子的迁移,离子在阴极侧不断积累,但是电极功率密度降低。
作者：	高文杰
专业：	动力机械及工程
导师：	周春良
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文