2.4.2　電池層間空氣分配的決定參數

第i層電池單元內部壓降Δpi與第j層電池單元內部壓降Δpj的差別即Δpi-Δpj,可通過式(2.8)減去式(2.6)得到:

(-)-(-)=(+)+(γ-1)　(j>i)(2.9)

式中,γ=(-)/(-),代表O₂消耗和溫度上升對動量流量的影響。對于大部分SOFC電堆,陰極側空氣流體中O₂的摩爾分數僅為21%,電堆整體的空氣利用率一般在30%以下。以工作電流密度0.6A·cm-2和工作電壓0.6V的SOFC電堆為例。當空氣從進口主管道進入電池單元內部(如第i層電池單元),氧氣消耗后匯入出口主管道過程中,氧氣消耗引起的入口和出口主管道之間的質量流量變化量關系滿足下式:

γ₁=>=93%(2.10)

由此,可得到由于氧氣消耗引起的出、入口主管道的質量流量變化應該小于7%。

雖然電堆中工作溫度的變化會導致氣流膨脹及體積流量的變化,但不會改變質量流量。在入口主管和出口主管之間,由于溫度升高引起的出/入口主管兩側的空氣混合氣體質量密度的變化應該不會高于下式估算結果:

γ₂=>==84.3%(2.11)

因此,由溫度升高引起的出、入口側主管道內空氣流體的質量密度變化應不高于15.7%。

其次,出口主管道相比入口主管道的對應位置大概有10%的速度增量

γ₃==<γ₁/γ₂=110%(2.12)

在這種情況下,假定如果每層電池單元都得到一樣的空氣流量分配,'_L,i=1,則入口主管道和出口主管道內對應位置的動量變化應該在下式范圍內(a=|1-γ|≈2.6%)。

γ==γ₁γ₃≈102.6%(2.13)

因此,γ可以估算為1.03。當然γ將很大程度上取決于實際的'_L,i分布情況。從圖2.8可得到,在SOFC電堆過量空氣供應的特征下,O₂消耗和電堆溫升對空氣分配質量以及流體動力學分析的結論的影響可以忽略不計。

通常,由于分配給電堆中每層電池單元的空氣質量流量主要由電池單元內部的壓降(Δpi=-)驅動,因此電堆中電池單元之間較小的壓降區別Δpi-Δpj是保證電池間'_L,i均勻性的關鍵。因此,電堆結構優化的一個重要任務是,通過調整電堆流道結構形貌、設計和幾何參數,以獲取最小的電池間壓降差Δpi-Δpj。方程(2.9)右側圓括號中的第一項主要來源于摩擦阻力貢獻,其值在任何情況下均為正值。因此優化依賴于等式右側的第二項。