2.3　模型验证

2.3.1　模型描述

在SOFC工作过程中，燃料通过燃料气道入口连续不断地为SOFC提供电化学反应所需的燃料，如图2-1所示。燃料气体从燃料气道扩散到多孔阳极的反应位置，在反应位置燃料气体被氧化为产物，然后产物再从反应位置扩散到燃料气道，最后通过燃料气道的出口排出。因为在气道与阳极交界面不同位置的燃料组分不同，所以需要用3D模型全面描述阳极中的质量输运。然而z方向的一维模型可以用来测试DGMFM的准确性（如果在测试中包括不同的燃料组分）。

物质i摩尔质量守恒在z方向的一维形式为：

　　（2-17）

式中，Ri是物质i的生成速率（+）或消减速率（-）。Ni通过DGMFM[方程（2-16）]计算或者DGM[方程（2-1）]计算。

在接下来的DGMFM测试中，燃料气体是由甲烷、水蒸气、一氧化碳、氢气和二氧化碳组成。在多孔阳极中考虑了甲烷的重整反应（CH4+H2OCO+3H2）和一氧化碳的水汽变换反应（CO+H2OCO2+H2）。甲烷重整速率可写为[3，8，39]：

　　（2-18）

式中，是单位体积中的Ni的活化表面积，m2·m-3。水汽变换反应速率表达式为[3，8，39]：

　　（2-19）

依照实验的观测，我们假设CO的电化学反应相对于水汽变换反应和氢气的电化学反应可以忽略。氢气在阳极-电解质交界面（图2-1中z=L处）的摩尔流量根据法拉第定律可以写为：

　　（2-20）

式中，J0是操作电流密度；F是法拉第常数。

在阳极与燃料气道交界面处，各种气体的浓度被设置，总的气压为1atm（1atm=101325Pa）。

2.3.2　数值模拟方法和模型参数

有限元商业软件COMSOL MULTIPHYSICS􀆿 Version 3.5[30]被用来求解上面描述的SOFC多孔阳极质量运输模型，其中物质的流量是用DGMFM计算的。基于DGM的物质流量的数值解是使用Zhu和Kee提出的对称矩阵的逆算法获得[13]。

基本模型参数和边界条件如表2-1所示，这些参数典型的实际工作参数，除非其他说明，否则使用表2-1中的参数。

续表　　

应该通过测试各种可能影响气体在多孔介质中的输运参数，来验证DGMFM的有效性和准确性。这些参数可以广泛的分为两类。一类包括多孔介质的结构参数，例如孔径、曲率、SOFC阳极厚度；另一类包括SOFC的操作参数，例如电流密度、温度、燃料组分。因此DGMFM准确性分析分为三部分：①基本模型参数时DGMFM准确性分析；②不同阳极结构时DGMFM准确性分析；③不同操作条件时DGMFM准确性分析。