多孔介质内离子迁移机理研究.pdf

分类号: 密级: U D C : 编号: 工学硕士学位论文多孔介质内离子迁移机理研究硕士研究生:高文杰指导教师:周春良副教授学位级别:工学硕士学科、专业:动力机械及工程所在单位:动力与能源工程学院论文提交日期:2013年1月论文答辩日期:2013年3月学位授予单位:哈尔滨工程大学 Classified Index: : A Dissertation for the Degree of Mechnaism Study of Ion Transportion in Porous Media Candidate: Gao Wenjie Supervisor: Associate Prof. ZhouChunliang Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Power Machinery and Engineering Date of Submission: January, 2013 Date of Oral Examination: March, 2013 University: Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字): 日期: 年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字): 导师(签字): 日期: 年月日年月日多孔介质内离子迁移机理研究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(Alkali Metal Thermal to Electric Converter-AMTEC)是基于 23 '' Al O ??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"-Alumina Solid Electrolyte)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 SOL Multiphysics,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