第3章?具有主管穿透電池區域及流道開口特征的SOFC電堆

為了實現高體積功率密度,一些燃料電池堆被設計成將燃料/空氣歧管放置在(并穿透)電池平面區域并采用開放式出口歧管。在本章中,首先通過仔細耦合動量、質量、能量和準電化學方程,建立了具有上述兩種結構特征的18層完整三維大尺度多物理場電堆模型,然后計算得出了主要物理場的一般分布規律,這取決于上述兩種結構的特征而不是任何特定的設計和參數。結果表明,氣流通道只要采用開放出口,進入電池單元的空氣流量隨著電池數量的增加而單調增加。供給每個電池單元的平均空氣流量只有0.41倍可以通過第一電池;當電堆規模增加時,它的值將大大減小。將歧管放置在電池平面區域內導致電極表面上復雜的空氣/燃料流分布;采用橫流布置方式可以緩解局部升溫風險。電堆最高的溫度出現在第一單元層中的空氣和燃料流排氣集管的交叉角附近。

作為最有前途的功率轉換器件之一,固體氧化物燃料電池性能和單元制造的當前狀態通常滿足商業化要求[1]。然而,實現高堆棧性能和大型堆棧級壽命仍然是商業化的障礙[2,3]。通常,燃料電池單元或堆疊組件內局部區域的感應電化學反應過載將導致堆疊整體逐漸退化[4]。此外,盡量減少整個堆棧中溫度變化對延長其工作壽命很重要,因為破壞性熱應力可能是由大的溫度梯度引起的[5,6]。因此,燃料和空氣作為反應物和主要熱傳輸載體,甚至其負載對于優良電堆性能也是必不可少的,特別是因為大多數燃料電池堆是通過串聯單元堆疊的[7]。眾所周知,流動特性、組分、溫度、反應及其相應性質的分布之間存在的顯著相互作用[8],這些將受到特定堆棧設計和結構的極大影響[9]。因此,獲得流量和溫度分布與堆疊結構特征之間的關系非常重要[10]。

由于電堆層次的實驗研究非常耗時且勞動強度大[11],并且很難在高溫運行狀態下測量微小通道內的工作細節[12],因此開發了數值模擬方法,用以正確研究發現SOFC堆棧中的工作細節[13,14]。M.Ni等開發了用于單個SOFC單元的2D熱流體模型,提出操作和幾何參數對電池性能的影響[15]。由W.Kong等開發的2D軸對稱管狀SOFC模型,研究不同組分厚度對電池殘余應力的影響[16]。Y.Bae等開發了一種用于一個燃料電池肋單元的3D模型,通過改變電負載找到壓力和溫度的動態響應關系[17]。T.Parhizkar等通過系統優化框架研究了電池電壓和燃料利用率對SOFC性能退化的影響[18],并且由T.Zhang等開發了40層電池SOFC堆棧的2D計算流體動力學(CFD)數值模型,獲得入口和出口歧管之間的壓降分布[19]。S.Su等開發了用于特定堆疊設計的3D CFD模型,并通過比較陰極側和陽極側之間的不同肋配置組合的性能,找到設計的合理組合[20]。K.Rashid等通過3D數值模型獲得了特定1kW扁平管狀SOFC堆入口歧管的優化幾何參數。定義了一個統一的特征圖來分析3D電化學紐扣電池子模型,研究平面SOFC堆棧中電池電壓變化[21]。A.P.Sasmito等開發出聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)堆棧的簡化數值模型,用于研究入口流速對總發電量和液體飽和度的影響[22]。D.Chen等通過系統模型分析比較和優化SOFC?燃氣輪機混合動力系統的不同空氣和燃料布置,提出了一個適當的外部空氣流動路徑,其用于管狀陽極支撐的SOFC堆棧,具有49個電池單元,并通過3D大規模建模驗證[23]。

所有這些研究結果都顯著增加了我們對特定燃料電池堆中工作細節的理解,并提供了優化的參數。但是,大多數結果很大程度上取決于具體的設計和幾何參數。因此,揭示這些特征與特定的堆棧設計和參數無關,研究典型結構設計特征與主要物理場分布特征之間的一般關系,對于堆棧級別的實驗研究具有高度的指導意義。

據我們所知,部分燃料電池組設計為燃料和空氣歧管連接在燃料電池單元區旁邊[24],如圖3.1(a)所示[20]。相反,如圖3.1(b)~(d)所示,許多其他燃料電池堆被設計成具有以下兩個特征[25]:①燃料/空氣歧管放置在燃料電池平面區域內并穿透它,如圖3.1(b)所示;②如圖3.1(c)所示采用空氣流動的開放出口歧管。研究發現這兩個不同結構特征對其對應的主要物理場分布將是非常有益的。當然,具有上述兩個結構特征的那些電堆,雖然可以獲得更高的體積/重量功率密度和更簡單的制造工藝,但是它們也具有更復雜的部件形狀,這也將導致更加困難的3D大規模網格劃分和多物理耦合計算過程。

圖3.1　(a)電堆的燃料和空氣歧管連接在燃料電池平面區旁邊[20];(b)電堆有兩種特征:燃料和空氣歧管被放置貫穿于電池平面區域,空氣流道采用開放式出口[25];(c)和(d)分別是多孔陰極和多孔陽極在相應表面上內部連接體和流道的布局

在本章中,開發了具有上述兩種結構特征的18層SOFC電堆的第一個3D大型完整模型。該模型將動量、質量、能量和準電化學反應方程耦合到陽極和陰極兩側的相應固體、多孔介質和流動路徑中。通過網格獨立性測試和質量、能量平衡測試很好地驗證了所取得的結果,并通過流體動力學理論分析進一步檢查。然后,得出了不依賴于特定堆疊設計和參數但僅取決于上述兩個結構特征的主要物理場(即流動、組分和溫度)通用分布規律。該結論為具有相似結構特征的SOFC電堆的實驗操作和參數選擇提供了很好的參考。