2.4.7　电堆规模(电池单元数)的影响

以第一和最后一层单电池为例,方程(2.9)中其空气动量可大致表示为:

-≈(1-1/)(2.14)

当空气利用率固定时,电堆大小将大大影响电堆每层单电池获得的空气流量和进入主管的空气速度。因此,等式(2.14)中的动量差与电堆层数大小N_L的平方有关。此外,由于主管内空气的流速较大,这将产生较大的阻力Fy。因此,电堆层数较大意味着方程(2.9)中的阻力和动量差较大,电堆层与层之间压力差的加大将直接导致电堆空气分配均匀性较差。因此,不推荐使用层数较大的电堆。

图2.13中比较了不同电堆尺度规模(电池单元数)的2种U形SOFC电堆标准化质量'_L,i的分布情况,这2种模型分别是3进2出,r_out=1.2r_in;2进3出,r_out=r_in。图2.13中这2种电堆模型的层数N_L分别为10层、20层和30层。

对于A_in≥A_out的3进2出(即r_in=4mm,r_out=1.2r_in)模型来说,电堆'_L,i的分布质量随着层数N_L的增加而降低。电堆10层、20层和30层的空气分配均匀度指数为0.819、0.562和0.324。这个结果主要是由以下两个原因造成的:①由于A_in≥A_out,方程(2.9)中的阻力和动量差值均为正;②增加电堆层数之后电堆的阻力和动量差值有了较大的增加。然而,对于A_in<A_out的2进3出(即r_in=r_out=4mm)模型来说,'_L,i分布的质量随电堆层数而变化,趋势更为复杂,因为在方程(2.9)中动量差这一项为负。换句话说,当模型层数较大时需要稍微增加A_out/A_in的值才能提高电堆'_L,i的分配质量。

如图2.5(a)中左边所示,空气流体粒子在进入进口主管内流动时有2种选择:

① 直接从第一层单电池肋通道到达出口主管;

② 沿着入口主管流动到第j层单电池通过肋通道最后流入出口主管。

这两个不同路径的相应压降应满足如下关系:

(-)=(-)+(-)+(-)(2.15)

然后,可以通过重新排列上述方程来实现第1层和第j层之间的压降比:

=1+(2.16)

式(2.16)中的第一个括号(-)为进口主管沿着空气流动方向的压差,其值为负,第二个括号(-)为出口主管沿着空气流动方向的压差,值为正,分母是电堆第j层单电池内压降Δpj=-。显然,当等式(2.16)右侧的第二项中分子接近零时,方程左侧的值接近1,那么此时电堆每一层单电池的压降相等。因此,可以通过两种方法使Δp₁和Δpj的值相等:①降低入口和出口主管内压降的大小;②增大每一层单电池的压降Δpj。