第2章 结构对电堆内部空气分布特征的影响规律

对于平板式SOFC电堆,研究发现,对于不同的电堆结构将导致不同的电池层间空气分布趋势。本章将通过对电堆内部空气流道的三维大尺度多物理场仿真得到不依赖于特定设计的电堆结构与空气分配特征之间的一般性作用规律。这样有利于为后续的实际电堆设计以及优化参数选择提供一般性指导意义。

平板式固体氧化物燃料电池具有燃料来源多样、操作清洁、易组装及高的体积能量密度等优点,被认为是一种具有发展潜力的能源转化设备[1⁃6]。在过去数十年里,SOFC电池单元的性能得到了很大的提升,同时相关部件的制作工艺水平也基本能很好满足商业化的要求[7]。然而,如何得到高的电堆工作性能和耐久性仍是阻碍SOFC技术商用化的两个关键因素[1,8]。因此在保持对先进材料和电池单元关注的基础上,更多的是引导科学研究人员给予电堆层面上的工程和理论研究方面足够多的关注度,对于推动SOFC技术的商用化至关重要。

由于燃料电池内部空气流同时起着反应物和热量传递主要载体的两个重要角色,显然如何得到电堆内部空气的合理分布是保证SOFC电堆层面高性能和高耐久性的一个关键任务。例如以一个有效活化面积为100×100mm2,输出电密度为6000A·m-2的SOFC单元电池为例,在0.6V输出电压下将产生高达60A的电流。因此大部分SOFC在电堆设计过程中主要以电池单元相互串联的方式来构建SOFC电堆。因此特别是在高输出电流工况下,任何一层电池单元中空气供应出现问题将大幅度降低电堆的整体工作性能。因为串联关系,所有电池单元的输出电流将以最小产出的电池单元为基准。在SOFC电堆中,空气不仅具有氧化剂的功能,同时也是电堆内部热传递的主要载体。因为电堆在保证燃料利用效率的情况下,通常会通入过量的空气,因此其也是电堆内部的冷却剂,直接关系到电堆内部的温度梯度分布特性,进而影响电堆寿命。K.P.Recknagle等[9]研究发现,对于对流和并流两种流动管理模式,电堆内部温度将沿着空气流动方向呈上升趋势。此外,电堆内部空气的分配质量将进一步决定电化学反应的分布以及热量的生成和输运分布。而这些分布将影响电堆组件的工作性质,如离子/电子电导率、热导率、扩散系数、黏滞系数等。不同的空气分配意味着电池表面不同的电化学反应负荷分布,从而增加局域失效风险。

在过去数十年中,大量的SOFC电堆设计方案被提出、运行和研究[10⁃22]。同时,电堆层面实验具有昂贵、耗时、烦琐、很难测得微小流道内部工作细节和需进行参数化分析的缺点,因此三维大尺度多物理场分析技术被认为是研究电堆结构与电堆内部物理场分布关系的最佳选择。在过去数年中,许多SOFC电堆模型被发展和建立用于探索其内部的多物理场工作过程和获取有价值的尺寸和操作优化参数[5,11,23⁃28]。然而需要指出的是,大部分这类工作得到的优化结论都在很大程度上依赖于特定的电堆设计、电堆规模和几何参数。J.H.Koh等通过系统逻辑图的方法研究了不同分流节点对主管道内部压力分布的影响[29]。然而由于计算条件的限制,该研究主要针对一个特定的电堆设计,并未说明电堆内部空气分配规律对电堆设计、规模和几何结构参数的一般性依赖关系。因此,通过三维大尺度多物理场建模的途径,分析隐藏在这些分布现象背后的独立于特定结构设计的关键结构对物理场分布特征的一般性作用规律具有重要意义。本章得到的结论对于平板式燃料电池电堆的实验设计和结构参数选择将具有重要意义。