3.1　電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征及相關(guān)理論

3.1.1　電堆設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖3.1(b)~(d)展示了一種有如下兩種結(jié)構(gòu)特征的典型SOFC電堆[25]:

① 燃料和空氣歧管被放置在電池層平面區(qū)域并且貫穿其中;

② 空氣流道路徑采用開(kāi)放式排氣歧管,如圖3.1(c)所示。

圖3.1(c)顯示了每個(gè)單元電池表面上相應(yīng)的陰極固體連接件和空氣流道的布局。空氣流道路徑可以分為幾個(gè)流場(chǎng)截面:①一個(gè)空氣進(jìn)口歧管貫穿每個(gè)電池平面;②在這種情況下,一個(gè)進(jìn)料總管、半圓形和分配器是每個(gè)進(jìn)口歧管上的必需部分,通過(guò)肋道在陰極表面噴射空氣流;③在另一側(cè)空氣出口歧管采用開(kāi)放式構(gòu)型。在這種情況下,反應(yīng)后的廢氣將會(huì)直接排出到操作環(huán)境空間。一般情況下,開(kāi)放式出口歧管可以在每個(gè)堆電池單元出口處保持恒定的電壓,并且利用排氣所攜帶走的熱能來(lái)保持電堆環(huán)境良好的工作溫度。同樣,圖3.1(d)給出了陽(yáng)極側(cè)固體連接體和燃料流動(dòng)路徑的布局,其中一個(gè)入口和兩個(gè)出口歧管被面對(duì)面放置在單元電池層的相對(duì)兩側(cè)。類似地,附加的進(jìn)料主管、半圓形和分配器被連接到每個(gè)歧管上,以供給(或收集)或排出燃料氣體,這是由于歧管被放置在單元平面區(qū)域內(nèi)的緣故。

雖然體積/重量功率密度可以受益于上述的有兩種特點(diǎn)的電堆設(shè)計(jì),燃料(或空氣)歧管貫穿于燃料電池平面區(qū)域會(huì)影響陰極(或陽(yáng)極)表面的空氣(或燃料)流道布局。這導(dǎo)致在電池單元表面上形成了一個(gè)更復(fù)雜的活動(dòng)區(qū)域形狀和流動(dòng)路徑的布局。如圖3.1(c)所示,三個(gè)貫穿于燃料電池平面區(qū)域的歧管很大程度地影響空氣流道在陰極表面的布局。它們使得三維大規(guī)模網(wǎng)格化和多物理場(chǎng)計(jì)算過(guò)程更具挑戰(zhàn)性。

基于圖3.1(b)中的結(jié)構(gòu)圖,圖3.2(a)顯示了具有上述兩種結(jié)構(gòu)特征的典型18層電池堆的三維大尺度模型。有關(guān)相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3.1。該模型由流動(dòng)路徑和固體組分組成。流動(dòng)路徑由燃料和空氣流分布流形、進(jìn)氣/排氣集管、半圓形、分配器、肋道、多孔支撐和功能陽(yáng)極層以及多孔陰極功能層組成。所述固體組分包括致密的電解質(zhì)、固體肋、多孔電極以及陰極和陽(yáng)極肋道之間的互連。圖3.2(b)進(jìn)一步展示出了模型中一個(gè)電池單元的組成。

表3.1　與圖3.1對(duì)應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3.2　(a)參照?qǐng)D3.1(b)的18層三維大尺度平板型電池堆;(b)模型中一個(gè)電池單元包含固體組件(固體和多孔電極)和流道(宏觀流動(dòng)路徑和多孔電極)

通過(guò)將動(dòng)量、質(zhì)量、能量和準(zhǔn)電化學(xué)反應(yīng)守恒方程耦合到相應(yīng)的區(qū)域,討論堆內(nèi)的多物理工作細(xì)節(jié)。連續(xù)性、動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程適用于所有流場(chǎng)和多孔電極區(qū)。能量守恒方程適用于流體、多孔電極和固體區(qū)。準(zhǔn)電化學(xué)守恒方程適用于多孔電極區(qū)。