2.4.7　電堆規(guī)模(電池單元數(shù))的影響

以第一和最后一層單電池為例,方程(2.9)中其空氣動(dòng)量可大致表示為:

-≈(1-1/)(2.14)

當(dāng)空氣利用率固定時(shí),電堆大小將大大影響電堆每層單電池獲得的空氣流量和進(jìn)入主管的空氣速度。因此,等式(2.14)中的動(dòng)量差與電堆層數(shù)大小N_L的平方有關(guān)。此外,由于主管內(nèi)空氣的流速較大,這將產(chǎn)生較大的阻力Fy。因此,電堆層數(shù)較大意味著方程(2.9)中的阻力和動(dòng)量差較大,電堆層與層之間壓力差的加大將直接導(dǎo)致電堆空氣分配均勻性較差。因此,不推薦使用層數(shù)較大的電堆。

圖2.13中比較了不同電堆尺度規(guī)模(電池單元數(shù))的2種U形SOFC電堆標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量'_L,i的分布情況,這2種模型分別是3進(jìn)2出,r_out=1.2r_in;2進(jìn)3出,r_out=r_in。圖2.13中這2種電堆模型的層數(shù)N_L分別為10層、20層和30層。

對(duì)于A_in≥A_out的3進(jìn)2出(即r_in=4mm,r_out=1.2r_in)模型來(lái)說(shuō),電堆'_L,i的分布質(zhì)量隨著層數(shù)N_L的增加而降低。電堆10層、20層和30層的空氣分配均勻度指數(shù)為0.819、0.562和0.324。這個(gè)結(jié)果主要是由以下兩個(gè)原因造成的:①由于A_in≥A_out,方程(2.9)中的阻力和動(dòng)量差值均為正;②增加電堆層數(shù)之后電堆的阻力和動(dòng)量差值有了較大的增加。然而,對(duì)于A_in<A_out的2進(jìn)3出(即r_in=r_out=4mm)模型來(lái)說(shuō),'_L,i分布的質(zhì)量隨電堆層數(shù)而變化,趨勢(shì)更為復(fù)雜,因?yàn)樵诜匠?2.9)中動(dòng)量差這一項(xiàng)為負(fù)。換句話說(shuō),當(dāng)模型層數(shù)較大時(shí)需要稍微增加A_out/A_in的值才能提高電堆'_L,i的分配質(zhì)量。

如圖2.5(a)中左邊所示,空氣流體粒子在進(jìn)入進(jìn)口主管內(nèi)流動(dòng)時(shí)有2種選擇:

① 直接從第一層單電池肋通道到達(dá)出口主管;

② 沿著入口主管流動(dòng)到第j層單電池通過(guò)肋通道最后流入出口主管。

這兩個(gè)不同路徑的相應(yīng)壓降應(yīng)滿足如下關(guān)系:

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

然后,可以通過(guò)重新排列上述方程來(lái)實(shí)現(xiàn)第1層和第j層之間的壓降比:

=1+(2.16)

式(2.16)中的第一個(gè)括號(hào)(-)為進(jìn)口主管沿著空氣流動(dòng)方向的壓差,其值為負(fù),第二個(gè)括號(hào)(-)為出口主管沿著空氣流動(dòng)方向的壓差,值為正,分母是電堆第j層單電池內(nèi)壓降Δpj=-。顯然,當(dāng)?shù)仁?2.16)右側(cè)的第二項(xiàng)中分子接近零時(shí),方程左側(cè)的值接近1,那么此時(shí)電堆每一層單電池的壓降相等。因此,可以通過(guò)兩種方法使Δp₁和Δpj的值相等:①降低入口和出口主管內(nèi)壓降的大小;②增大每一層單電池的壓降Δpj。