1.3.2　電堆大尺度多場耦合模擬

由于SOFC電堆全固體部件的特點決定了其結構設計可以非常靈活,包括管式、平板形、瓦楞形、基片型等多種形貌[13]。以平板型SOFC電堆設計為例:其中并/對流型SOFC電堆分別出現了圖1.16(a₁)空氣1進1出?燃料1進1出U形主管道線形rib(肋)流道并/對流型平板型設計[14];圖1.16(a₂)對其流體頭部三角形改動的設計[15];圖1.16(a₃)空氣2進2出?燃料1進1出線形rib流道設計[16];圖1.16(a₄)針對主管道孔徑尺寸差異變化的Z形主管道[17];圖1.16(a₅)所示出口主管道數多于入口主管道數的空氣1進2出?燃料1進2出波紋形rib流道對流型設計[13];圖1.16(a₆)對主管道圓孔形到方孔形的變化[18];圖1.16(a₇)空氣2進3出?燃料2進3出U形主管道對流型設計[19]以及圖1.16(a₈)空氣/燃料1進2出T形rib流道對流型設計[20]等多種結構報道。類似的交叉流型SOFC電堆設計,也經歷了圖1.16(b₁)空氣1進1出?燃料1進1出U形主管道線型rib流道交叉流型設計[21];增加其出/入口主管道數量的空氣3進3出?燃料3進3出設計[圖1.16(b₂)][22];圖1.16(b₃)基于出口主管道面積>入口側主管道面積結論得到的具有空氣主管道開放特點的燃料1進2出U形主管道圓柱形rib流道設計[23];圖1.16(b₄)的燃料1進1出線形rib流道設計[24]以及圖1.16(b₅)、圖1.16(b₆)空氣1進口開放出口的斜入式設計[25,26]等多種結構報道。而除了上述的線形rib流道外,SOFC電堆單元電池表面的集流結構還出現了圖1.16(c₁)的Z形[27];圖1.16(c₂)的并型蛇形[28];圖1.16(c₃)的離散圓柱形及其多種不同排列方式[29];圖1.16(c₄)~(c₆)的波紋形[3]等多種不同rib流道形貌選擇。此外,還有圖1.16(d₁)的空氣主管道開放特征的燃料1進1出蛇形主管道交叉流IP型設計[30];圖1.16(d₂)的燃料1進1出Z形主管道Z形rib流道交叉流平板型設計[31];圖1.16(d₃)與其對應的微型設計[32];圖1.16(d₄)具有并流和交叉流綜合特性并列蛇形主管道設計[33]等多種報道。此外,還存在管式、錐形、瓦片形等其他電堆形貌選擇,以及每種形貌中不同的電池數規模和長寬比例,陰?陽極側連接體形貌搭配,局部部件結構、主管位置及數量、尺寸等海量組合,這也給目標優化電堆的最終獲取帶來了困難。因此,以直觀經驗為指導,對海量的電堆對象進行試驗研究,既不高效、不經濟,也不現實。而發展不依賴于具體對象的電堆層面結構設計的一般性規律和工程優化路徑,對后續開展電堆設計研究將具有重要作用。

圖1.16　多種不同的平板型SOFC電堆結構方案報道[3]

電堆內部工作細節測量難且耗時:由于SOFC具有高工作溫度(450~1000℃)及流道空間小的特點,因此在工作過程中很難通過實驗對流動、濃度、溫度、電流密度、電化學反應、局部漏氣和應力分布進行實時監控和測量[34],無法細致了解電堆內部過載和低效區域演化,以及材料退化細節。目前,SOFC電堆層面的試驗研究主要通過長時間監控整體性能退化,以及熱循環后的部件和界面形貌,進而從側面推測內部過載分布[35]。同時由于SOFC電堆實物制作具有昂貴、工序復雜、耗時、熱循環易損壞等特點,一方面單純靠經驗嘗試既不經濟也不現實;另一方面,想通過實驗嘗試全面細致地探索各種結構參數和工況的作用也相當困難。從根本上講,以直觀經驗引導的電堆嘗試性試驗方法不適合作為一種優化結構獲取和內部演化過程認知的手段,而更適合作為某種成型設計方案的終試方法。

電堆層面理論分析現況:如前所述,SOFC紐扣電池是一個理想的工作環境,主要側重材料電化學性質的評價;而電堆層面更側重考慮多個物理場之間的內在相互影響和平衡,是一個多學科交叉耦合對象。與形形色色不斷出現的SOFC電堆結構相比,近年來,SOFC電堆層面規律性理論的發展相對緩慢。R.J.Boersma等通過將電堆氣道系統等價為阻力網格并利用自洽迭代方法嘗試勾畫出電堆流道流速對壓強和氣流分布的影響[36],但受當時計算資源、方法限制,分析過程使用了大量簡化。H.Hirata等針對圖1.16(a₁)結構建立了二維計算流體力學(CFD)模型,并考察電堆內部集流件rib流道高度對電堆內物質傳輸的影響[37],發現當流體流過進口主管道T形分支時壓強會上升,而流經出口主管道T形分支時壓強會下降[38]。R.J.Kee等采用Twopnt函數針對圖1.16(c₁)電池單元內Z形rib流道進行CFD分析,并通過對流量分布的無量綱處理,實現不同工況下電堆的流動分配質量對比[27]。S.Maharudrayya等利用有限體積法針對質子交換膜燃料電池(PEMFC)單元建立二維CFD模型研究不同雷諾數對蛇形流道90°轉彎處流動狀態和壓力特征的影響[39],并使用解析方法嘗試對比單電池蛇形、Z形、U形、雙U形、U形嵌套形等rib流道內的流量和壓強差分布特征[40]。F.Barreras等針對PEM電池單元內Z形rib流道的理論分析得出,流經出、入口兩端rib流道的流量將遠高于其他流道,在電池表面形成不均勻流動分布[41]。該結果后續通過平面激光誘導熒光手段(PLV)跟蹤流體流動測得的試驗結果證實。C.K.Lin嘗試采用ABAQUS軟件針對臺灣核電中心的3電池對流型SOFC電堆的固體部分建立熱?機械模型,分析固件應力應變分布對不同預設溫度分布的響應關系[42],不足之處是未考慮電化學反應以及流動這兩個關鍵因素對溫度分布的影響。C.H.Chen等針對72層電池PEMFC電堆建立二維質量和動量耦合模型[43],得出采用大的主管道出/入口截面積、小的流體速度、大的rib氣道阻力有利于提高電池層間的流動分布質量。C.M.Huang等通過詳細分析四種不同的rib流道形貌得出,即使是rib氣道的奇偶個數也將對流動分配結果產生較大影響[44]。W.Xia等采用Fluent軟件針對圖1.16(a₂)所示單電池層結構,建立三維流體?熱?電耦合工程分析模型[3],得出該設計下對流型供氣模式將比并流型得到更均勻的電流密度和溫度分布質量。

我們分別針對圖1.16(b₂)的40層電池交叉流型(2009年)和圖1.16(a₇)的10層電池并/對流型(2013年)電堆流道建立的三維模型分析得出,主管道出/入口截面積比例是控制電池層間流體分配質量的重要因素之一,并從流動分布角度給出了并、對流型流體管理情況下的最佳主管道配置方案[3]。隨后于2015年對圖1.16(a₆)的陰極流道部分建立10電池三維動?熱?質?電化學(簡化)耦合模型,優化得出燃料一側采用方形rib流道,空氣一側配合離散對稱圓柱體rib流道形貌為較理想設計配對[45]。L.Blum等通過對圖1.16(a₆)結構的固體部分建立三維模型分析了固體部分應力應變對各種不同預設溫度分布的響應結果[46]。M.Peksen等于2011年進一步通過對36層電堆的熱流?熱機械耦合分析表明[47],流體主管內小的溫度梯度也將產生較大的固體應變變化,加劇局部密封失效風險。我們在針對大量電堆中流動分配質量優化的過程中發現,即使是設計類似的SOFC電堆,也會因為不同結構參數產生差異很大的流動分布特性[48]。

綜上所述,電堆內部某些關鍵結構參數,即使是微小的變化也將對電堆內部物理場分布特性和整體性能產生較大影響。相比于海量的電堆結構搭配選擇而言,針對某一具體結構和尺度的電堆的模擬優化結果,當工況和結構參數改變時,其一般性應用和指導意義將受限。因此,在電堆層面開展獨立于具體對象的結構對性能的一般性作用規律的研究具有重要意義。