2.1　結構與電池層間空氣分布特征

圖2.1(a)和(b)顯示了來自Jülich(FZJ)研究中心典型的平板對流和并流型兩種SOFC電池堆設計[30,31]。圖2.1(c)給出了相應的部件組成和空氣流體分布過程示意圖。整個電堆結構可分為固體元件和流動路徑區域。

固體元件由兩個重要成分組成:

① 包括陽極、致密電解質和陰極的膜電極(MEA)。MEA是將反應物的化學能轉化為電能的核心輸出部分;

② 相互連接件,在其上下側由許多平行的固體肋構成,它們收集和管理每個MEA上產生的電荷,分離不同區域的燃料和氧化劑氣體,并在MEA上將燃料和氧化劑流量均勻分配[29?33]。

以圖2.1(a)電堆設計方案為例,圖2.1(c)顯示了其對應的空氣流道部分和流體分配過程。由于分別有兩個入口主管和三個出口主管被相對分布在電堆兩側,因此這一空氣流體路徑在整個電堆層面上的形貌被定義為2進3出U形流道形貌。當然,該設計也可以支持3進2出的空氣流動形貌。

電堆內部的空氣流動路徑可進一步被分為兩個層次:

① 電堆層面的入口和出口主管道部分。電堆上的進口和出口主管,將空氣供給電堆的單電池。空氣通過進氣主管被送入SOFC電池單元中,多余的流量被進一步分配到下一個電池單元。另一方面,排出的氣流被排入出口主管道并排出電堆。由于電堆中的電池單元主要以相互串聯的方式連接,因此電池層間獲得最小空氣質量流量的電池單元,其對應的無量綱化最小空氣流量可用于表征電堆層面的電池層間空氣分配質量,定義為“電堆均勻性指標”,表達式如下:

Γ_L=min('_L,₁∶'),　'_L,i=(2.1)

式中,“L,i”表示第i層電池單元;N_L是電堆的電池單元層數;是第i層電池單元獲得的無量綱化質量流量;'_L,i是相對于平均空氣分配量的無量綱化參數,'_L,i=1代表流量達到平均值;“ave”代表求平均函數。

② 單電池表面上的進氣頭部、肋條流道、多孔陰極和尾氣收集頭部。用于將空氣均勻地分布在每個MEA表面。如圖2.2所示,當空氣流入每個SOFC電池單元時,首先空氣在進氣頭部集中后,通過肋條流道實現對電池MEA表面的再分配。電池表面空氣中的氧氣通過多孔陰極被進一步擴散輸送到電極內部的電化學反應區域參與電化學反應。反應后的尾氣通過尾氣收集頭部收集后,被排入出口主管道。由于SOFC電池單元表面的肋條流道主要以并聯而非串聯的方式進行空氣分配,因此用肋條流道間空氣流量分布的相對標準偏差來表示單電池層面的空氣分配質量更為合理[34]:

σ_c=(2.2)

式中,“c,j”表示電池單元表面的第j個肋條流道;N_c是電池表面的總肋條流道數。流經第j個肋條流道的空氣質量流量主要通過下式進行無量綱化:

'_c,j=/ave(∶)(2.3)

電池單元表面肋條流道間空氣流量分布的均勻性是保證電池單元表面負荷和退化一致性的關鍵因素,并在很大程度上決定整個電堆的工作壽命[4,5]。

圖2.1(a)SOFC電堆內部的空氣分配特征可通過對圖2.1(c)大尺度三維空氣流道結構的動量、質量、熱量和半經驗電化學方程的耦合建模分析得到。電堆兩個入口主管道供應的空氣質量流量可通過下式估算得到:

=M_air

式中,“4”表示一個氧分子的電子數;F是法拉第常數;M_air是空氣摩爾質量,對于本書的20層電池電堆,可估算為1.79g·s-1。對應的兩個入口主管道進口的法向空氣流速可通過公式u_in=/()得到,A_in表示進口主管道的總截面積。

圖2.1(d)對比了圖2.1(a)和圖2.1(b)兩種電堆結構設計方案對應的20層電池單元所獲得的無量綱化空氣質量流量'_L,i的分布情況。采用無量綱化質量流量'_L,i而不是物理變量“質量流量”m'_L,i,更有利于比較不同電堆設計、不同尺寸、不同操作條件下的電池單元間空氣分配質量。通過圖2.1(d)我們發現,雖然圖2.1(a)和圖2.1(b)的電堆具有類似的結構設計,但是其得到的電池單元間的空氣質量流量'_L,i具有完全相反的分配趨勢。對于圖2.1(b)設計,'_L,i(第i層電池單元所得的無量綱化空氣分配量)隨著電池層數的增加而呈現遞增趨勢。而對于圖2.1(a)的電堆結構設計方案,'_L,i隨著電池層數i的增加而呈現下降趨勢,并在接近電堆頂部區域的幾層電池單元中反轉為上升趨勢。而導致這種非規律性計算結果的原因可能是不準確的數值建模和計算過程,或者是表象背后隱含著決定空氣分配特征的關鍵因素。