2.1　结构与电池层间空气分布特征

图2.1(a)和(b)显示了来自Jülich(FZJ)研究中心典型的平板对流和并流型两种SOFC电池堆设计[30,31]。图2.1(c)给出了相应的部件组成和空气流体分布过程示意图。整个电堆结构可分为固体元件和流动路径区域。

固体元件由两个重要成分组成:

① 包括阳极、致密电解质和阴极的膜电极(MEA)。MEA是将反应物的化学能转化为电能的核心输出部分;

② 相互连接件,在其上下侧由许多平行的固体肋构成,它们收集和管理每个MEA上产生的电荷,分离不同区域的燃料和氧化剂气体,并在MEA上将燃料和氧化剂流量均匀分配[29⁃33]。

以图2.1(a)电堆设计方案为例,图2.1(c)显示了其对应的空气流道部分和流体分配过程。由于分别有两个入口主管和三个出口主管被相对分布在电堆两侧,因此这一空气流体路径在整个电堆层面上的形貌被定义为2进3出U形流道形貌。当然,该设计也可以支持3进2出的空气流动形貌。

电堆内部的空气流动路径可进一步被分为两个层次:

① 电堆层面的入口和出口主管道部分。电堆上的进口和出口主管,将空气供给电堆的单电池。空气通过进气主管被送入SOFC电池单元中,多余的流量被进一步分配到下一个电池单元。另一方面,排出的气流被排入出口主管道并排出电堆。由于电堆中的电池单元主要以相互串联的方式连接,因此电池层间获得最小空气质量流量的电池单元,其对应的无量纲化最小空气流量可用于表征电堆层面的电池层间空气分配质量,定义为“电堆均匀性指标”,表达式如下:

Γ_L=min('_L,₁∶'),　'_L,i=(2.1)

式中,“L,i”表示第i层电池单元;N_L是电堆的电池单元层数;是第i层电池单元获得的无量纲化质量流量;'_L,i是相对于平均空气分配量的无量纲化参数,'_L,i=1代表流量达到平均值;“ave”代表求平均函数。

图2.1　(a)、(b)设计相似的两个平板式SOFC电堆示意图;(c)与(a)对应的20层P⁃SOFC电堆空气流动3D模型结构图;(d)两种设计方案对应的20层电池单元间的空气标准化质量流量分布对比

图2.2　电池单元表面的空气和氧气路径

② 单电池表面上的进气头部、肋条流道、多孔阴极和尾气收集头部。用于将空气均匀地分布在每个MEA表面。如图2.2所示,当空气流入每个SOFC电池单元时,首先空气在进气头部集中后,通过肋条流道实现对电池MEA表面的再分配。电池表面空气中的氧气通过多孔阴极被进一步扩散输送到电极内部的电化学反应区域参与电化学反应。反应后的尾气通过尾气收集头部收集后,被排入出口主管道。由于SOFC电池单元表面的肋条流道主要以并联而非串联的方式进行空气分配,因此用肋条流道间空气流量分布的相对标准偏差来表示单电池层面的空气分配质量更为合理[34]:

σ_c=(2.2)

式中,“c,j”表示电池单元表面的第j个肋条流道;N_c是电池表面的总肋条流道数。流经第j个肋条流道的空气质量流量主要通过下式进行无量纲化:

'_c,j=/ave(∶)(2.3)

电池单元表面肋条流道间空气流量分布的均匀性是保证电池单元表面负荷和退化一致性的关键因素,并在很大程度上决定整个电堆的工作寿命[4,5]。

图2.1(a)SOFC电堆内部的空气分配特征可通过对图2.1(c)大尺度三维空气流道结构的动量、质量、热量和半经验电化学方程的耦合建模分析得到。电堆两个入口主管道供应的空气质量流量可通过下式估算得到:

=M_air

式中,“4”表示一个氧分子的电子数;F是法拉第常数;M_air是空气摩尔质量,对于本书的20层电池电堆,可估算为1.79g·s-1。对应的两个入口主管道进口的法向空气流速可通过公式u_in=/()得到,A_in表示进口主管道的总截面积。

图2.1(d)对比了图2.1(a)和图2.1(b)两种电堆结构设计方案对应的20层电池单元所获得的无量纲化空气质量流量'_L,i的分布情况。采用无量纲化质量流量'_L,i而不是物理变量“质量流量”m'_L,i,更有利于比较不同电堆设计、不同尺寸、不同操作条件下的电池单元间空气分配质量。通过图2.1(d)我们发现,虽然图2.1(a)和图2.1(b)的电堆具有类似的结构设计,但是其得到的电池单元间的空气质量流量'_L,i具有完全相反的分配趋势。对于图2.1(b)设计,'_L,i(第i层电池单元所得的无量纲化空气分配量)随着电池层数的增加而呈现递增趋势。而对于图2.1(a)的电堆结构设计方案,'_L,i随着电池层数i的增加而呈现下降趋势,并在接近电堆顶部区域的几层电池单元中反转为上升趋势。而导致这种非规律性计算结果的原因可能是不准确的数值建模和计算过程,或者是表象背后隐含着决定空气分配特征的关键因素。