3.1　電堆結構設計特征及相關理論

3.1.1　電堆設計結構

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

① 燃料和空氣歧管被放置在電池層平面區域并且貫穿其中;

② 空氣流道路徑采用開放式排氣歧管,如圖3.1(c)所示。

圖3.1(c)顯示了每個單元電池表面上相應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流場截面:①一個空氣進口歧管貫穿每個電池平面;②在這種情況下,一個進料總管、半圓形和分配器是每個進口歧管上的必需部分,通過肋道在陰極表面噴射空氣流;③在另一側空氣出口歧管采用開放式構型。在這種情況下,反應后的廢氣將會直接排出到操作環境空間。一般情況下,開放式出口歧管可以在每個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保持電堆環境良好的工作溫度。同樣,圖3.1(d)給出了陽極側固體連接體和燃料流動路徑的布局,其中一個入口和兩個出口歧管被面對面放置在單元電池層的相對兩側。類似地,附加的進料主管、半圓形和分配器被連接到每個歧管上,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域內的緣故。

雖然體積/重量功率密度可以受益于上述的有兩種特點的電堆設計,燃料(或空氣)歧管貫穿于燃料電池平面區域會影響陰極(或陽極)表面的空氣(或燃料)流道布局。這導致在電池單元表面上形成了一個更復雜的活動區域形狀和流動路徑的布局。如圖3.1(c)所示,三個貫穿于燃料電池平面區域的歧管很大程度地影響空氣流道在陰極表面的布局。它們使得三維大規模網格化和多物理場計算過程更具挑戰性。

基于圖3.1(b)中的結構圖,圖3.2(a)顯示了具有上述兩種結構特征的典型18層電池堆的三維大尺度模型。有關相應結構參數見表3.1。該模型由流動路徑和固體組分組成。流動路徑由燃料和空氣流分布流形、進氣/排氣集管、半圓形、分配器、肋道、多孔支撐和功能陽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、固體肋、多孔電極以及陰極和陽極肋道之間的互連。圖3.2(b)進一步展示出了模型中一個電池單元的組成。

表3.1　與圖3.1對應的主要結構參數

圖3.2　(a)參照圖3.1(b)的18層三維大尺度平板型電池堆;(b)模型中一個電池單元包含固體組件(固體和多孔電極)和流道(宏觀流動路徑和多孔電極)

通過將動量、質量、能量和準電化學反應守恒方程耦合到相應的區域,討論堆內的多物理工作細節。連續性、動量和質量守恒方程適用于所有流場和多孔電極區。能量守恒方程適用于流體、多孔電極和固體區。準電化學守恒方程適用于多孔電極區。