多孔介质中多组分气体输运的简单精确理论
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2020-03-14
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中国科技论文在线
多孔介质中多组分气体输运的简单精确理
论
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孔为，王宝轩，林子敬
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基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金(20113402110038);973 项目(2012CB215400)
作者简介：孔为(1983)，男，博士，主要研究固体氧化物燃料电池的理论与模拟计算
通信联系人：林子敬（1963），男，教授，主要研究固体氧化物燃料电池的理论模拟和电子结构理论与计
算. E-mail: zjlin@ustc.edu.cn
（中国科学技术大学物理系,合肥 230026） 5
摘要：尘气模型（DGM）可以精确描述多孔介质中多组分气体的输运过程，但由于形式复
杂没有解析表达式，因而没有得到广泛应用。本文通过合理的近似，将 DGM 改写为具有菲
克定律形式的表达式，简称 DGMFM。该模型可以给出多组分气体混合物中每种物质流量的
解析表达式。为验证其有效性，我们将 DGMFM 应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极10
的数学模型， 该电池模型以部分重整的甲烷为燃料，采用真实的微观结果数据，并考虑了
阳极中甲烷水气的重整反应和水煤气转换反应。通过该电池模型，我们系统地分析了阳极厚
度、气孔半径、孔隙率、曲折因子、温度、电流密度和燃料组分等参数对气体输运的影响。
分析结果证实了在 SOFC 实际工作条件下，DGMFM 可以取得与 DGM 一样准确的结果。
关键词：凝聚态物理学；物质流量；多孔介质；尘气模型；菲克定律；固体氧化物燃料电池 15
中图分类号：O469
A simple and accurate theory for the prediction of
multicomponent mass transport in porous medium
Kong Wei, Wang Baoxuan, Lin Zijing 20
(Department of Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026)
Abstract: The dusty gas model (DGM) is accurate for describing multicomponent mass transport
in porous media. Due to its complexity, DGM is not widely used. Based on a reasonable
approximation, the DGM is reformulated in the form of a Fick’s model with explicit analytical
expressions for the flux of each species. The validity of the new formulation, the DGMFM, is 25
tested using a numerical model of a solid oxide fuel cell (SOFC) anode with realistic
microstructure data and partially reformed methane fuel. Methane steam reforming and the water
gas-shift reaction in the anode are included in the model. The accuracy of the DGMFM is checked
by systematically varying the factors that may affect the mass transport in the porous anode, such
as the pore radius, porosity, tortuosity factor, anode thickness, temperature, current density and 30
fuel composition. The comprehensive study shows conclusively that the DGMFM is highly
accurate in reproducing the DGM results for all practical SOFC operations.
Key words: Condensed matter physics; Mass transport flux; Porous media; Dusty gas model;
Fick's model; Solid oxide fuel cell
35
0 引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）以较高的能量转换效率和较少的污染物排放而备受关注，
可应用的燃料包括氢气、一氧化碳、甲烷等碳氢燃料以及乙醇等生物质燃料，而较高的工作
温度使其对燃料中的杂质有较高的忍耐性
[1-3]
。然而高温限制了SOFC的材料选择和使用寿命，
因而在保证其燃料灵活的优势的前提下，适当降低工作温度（650-800℃）是合理的办法
[4]
。40
阳极支撑的SOFC具有较薄的电解质，这大幅降低了电解质的欧姆极化，因而可以工作在
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