第2章?結構對電堆內部空氣分布特征的影響規律

對于平板式SOFC電堆,研究發現,對于不同的電堆結構將導致不同的電池層間空氣分布趨勢。本章將通過對電堆內部空氣流道的三維大尺度多物理場仿真得到不依賴于特定設計的電堆結構與空氣分配特征之間的一般性作用規律。這樣有利于為后續的實際電堆設計以及優化參數選擇提供一般性指導意義。

平板式固體氧化物燃料電池具有燃料來源多樣、操作清潔、易組裝及高的體積能量密度等優點,被認為是一種具有發展潛力的能源轉化設備[1?6]。在過去數十年里,SOFC電池單元的性能得到了很大的提升,同時相關部件的制作工藝水平也基本能很好滿足商業化的要求[7]。然而,如何得到高的電堆工作性能和耐久性仍是阻礙SOFC技術商用化的兩個關鍵因素[1,8]。因此在保持對先進材料和電池單元關注的基礎上,更多的是引導科學研究人員給予電堆層面上的工程和理論研究方面足夠多的關注度,對于推動SOFC技術的商用化至關重要。

由于燃料電池內部空氣流同時起著反應物和熱量傳遞主要載體的兩個重要角色,顯然如何得到電堆內部空氣的合理分布是保證SOFC電堆層面高性能和高耐久性的一個關鍵任務。例如以一個有效活化面積為100×100mm2,輸出電密度為6000A·m-2的SOFC單元電池為例,在0.6V輸出電壓下將產生高達60A的電流。因此大部分SOFC在電堆設計過程中主要以電池單元相互串聯的方式來構建SOFC電堆。因此特別是在高輸出電流工況下,任何一層電池單元中空氣供應出現問題將大幅度降低電堆的整體工作性能。因為串聯關系,所有電池單元的輸出電流將以最小產出的電池單元為基準。在SOFC電堆中,空氣不僅具有氧化劑的功能,同時也是電堆內部熱傳遞的主要載體。因為電堆在保證燃料利用效率的情況下,通常會通入過量的空氣,因此其也是電堆內部的冷卻劑,直接關系到電堆內部的溫度梯度分布特性,進而影響電堆壽命。K.P.Recknagle等[9]研究發現,對于對流和并流兩種流動管理模式,電堆內部溫度將沿著空氣流動方向呈上升趨勢。此外,電堆內部空氣的分配質量將進一步決定電化學反應的分布以及熱量的生成和輸運分布。而這些分布將影響電堆組件的工作性質,如離子/電子電導率、熱導率、擴散系數、黏滯系數等。不同的空氣分配意味著電池表面不同的電化學反應負荷分布,從而增加局域失效風險。

在過去數十年中,大量的SOFC電堆設計方案被提出、運行和研究[10?22]。同時,電堆層面實驗具有昂貴、耗時、煩瑣、很難測得微小流道內部工作細節和需進行參數化分析的缺點,因此三維大尺度多物理場分析技術被認為是研究電堆結構與電堆內部物理場分布關系的最佳選擇。在過去數年中,許多SOFC電堆模型被發展和建立用于探索其內部的多物理場工作過程和獲取有價值的尺寸和操作優化參數[5,11,23?28]。然而需要指出的是,大部分這類工作得到的優化結論都在很大程度上依賴于特定的電堆設計、電堆規模和幾何參數。J.H.Koh等通過系統邏輯圖的方法研究了不同分流節點對主管道內部壓力分布的影響[29]。然而由于計算條件的限制,該研究主要針對一個特定的電堆設計,并未說明電堆內部空氣分配規律對電堆設計、規模和幾何結構參數的一般性依賴關系。因此,通過三維大尺度多物理場建模的途徑,分析隱藏在這些分布現象背后的獨立于特定結構設計的關鍵結構對物理場分布特征的一般性作用規律具有重要意義。本章得到的結論對于平板式燃料電池電堆的實驗設計和結構參數選擇將具有重要意義。