第3章 具有主管穿透电池区域及流道开口特征的SOFC电堆

为了实现高体积功率密度,一些燃料电池堆被设计成将燃料/空气歧管放置在(并穿透)电池平面区域并采用开放式出口歧管。在本章中,首先通过仔细耦合动量、质量、能量和准电化学方程,建立了具有上述两种结构特征的18层完整三维大尺度多物理场电堆模型,然后计算得出了主要物理场的一般分布规律,这取决于上述两种结构的特征而不是任何特定的设计和参数。结果表明,气流通道只要采用开放出口,进入电池单元的空气流量随着电池数量的增加而单调增加。供给每个电池单元的平均空气流量只有0.41倍可以通过第一电池;当电堆规模增加时,它的值将大大减小。将歧管放置在电池平面区域内导致电极表面上复杂的空气/燃料流分布;采用横流布置方式可以缓解局部升温风险。电堆最高的温度出现在第一单元层中的空气和燃料流排气集管的交叉角附近。

作为最有前途的功率转换器件之一,固体氧化物燃料电池性能和单元制造的当前状态通常满足商业化要求[1]。然而,实现高堆栈性能和大型堆栈级寿命仍然是商业化的障碍[2,3]。通常,燃料电池单元或堆叠组件内局部区域的感应电化学反应过载将导致堆叠整体逐渐退化[4]。此外,尽量减少整个堆栈中温度变化对延长其工作寿命很重要,因为破坏性热应力可能是由大的温度梯度引起的[5,6]。因此,燃料和空气作为反应物和主要热传输载体,甚至其负载对于优良电堆性能也是必不可少的,特别是因为大多数燃料电池堆是通过串联单元堆叠的[7]。众所周知,流动特性、组分、温度、反应及其相应性质的分布之间存在的显著相互作用[8],这些将受到特定堆栈设计和结构的极大影响[9]。因此,获得流量和温度分布与堆叠结构特征之间的关系非常重要[10]。

由于电堆层次的实验研究非常耗时且劳动强度大[11],并且很难在高温运行状态下测量微小通道内的工作细节[12],因此开发了数值模拟方法,用以正确研究发现SOFC堆栈中的工作细节[13,14]。M.Ni等开发了用于单个SOFC单元的2D热流体模型,提出操作和几何参数对电池性能的影响[15]。由W.Kong等开发的2D轴对称管状SOFC模型,研究不同组分厚度对电池残余应力的影响[16]。Y.Bae等开发了一种用于一个燃料电池肋单元的3D模型,通过改变电负载找到压力和温度的动态响应关系[17]。T.Parhizkar等通过系统优化框架研究了电池电压和燃料利用率对SOFC性能退化的影响[18],并且由T.Zhang等开发了40层电池SOFC堆栈的2D计算流体动力学(CFD)数值模型,获得入口和出口歧管之间的压降分布[19]。S.Su等开发了用于特定堆叠设计的3D CFD模型,并通过比较阴极侧和阳极侧之间的不同肋配置组合的性能,找到设计的合理组合[20]。K.Rashid等通过3D数值模型获得了特定1kW扁平管状SOFC堆入口歧管的优化几何参数。定义了一个统一的特征图来分析3D电化学纽扣电池子模型,研究平面SOFC堆栈中电池电压变化[21]。A.P.Sasmito等开发出聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)堆栈的简化数值模型,用于研究入口流速对总发电量和液体饱和度的影响[22]。D.Chen等通过系统模型分析比较和优化SOFC⁃燃气轮机混合动力系统的不同空气和燃料布置,提出了一个适当的外部空气流动路径,其用于管状阳极支撑的SOFC堆栈,具有49个电池单元,并通过3D大规模建模验证[23]。

所有这些研究结果都显著增加了我们对特定燃料电池堆中工作细节的理解,并提供了优化的参数。但是,大多数结果很大程度上取决于具体的设计和几何参数。因此,揭示这些特征与特定的堆栈设计和参数无关,研究典型结构设计特征与主要物理场分布特征之间的一般关系,对于堆栈级别的实验研究具有高度的指导意义。

据我们所知,部分燃料电池组设计为燃料和空气歧管连接在燃料电池单元区旁边[24],如图3.1(a)所示[20]。相反,如图3.1(b)~(d)所示,许多其他燃料电池堆被设计成具有以下两个特征[25]:①燃料/空气歧管放置在燃料电池平面区域内并穿透它,如图3.1(b)所示;②如图3.1(c)所示采用空气流动的开放出口歧管。研究发现这两个不同结构特征对其对应的主要物理场分布将是非常有益的。当然,具有上述两个结构特征的那些电堆,虽然可以获得更高的体积/重量功率密度和更简单的制造工艺,但是它们也具有更复杂的部件形状,这也将导致更加困难的3D大规模网格划分和多物理耦合计算过程。

图3.1　(a)电堆的燃料和空气歧管连接在燃料电池平面区旁边[20];(b)电堆有两种特征:燃料和空气歧管被放置贯穿于电池平面区域,空气流道采用开放式出口[25];(c)和(d)分别是多孔阴极和多孔阳极在相应表面上内部连接体和流道的布局

在本章中,开发了具有上述两种结构特征的18层SOFC电堆的第一个3D大型完整模型。该模型将动量、质量、能量和准电化学反应方程耦合到阳极和阴极两侧的相应固体、多孔介质和流动路径中。通过网格独立性测试和质量、能量平衡测试很好地验证了所取得的结果,并通过流体动力学理论分析进一步检查。然后,得出了不依赖于特定堆叠设计和参数但仅取决于上述两个结构特征的主要物理场(即流动、组分和温度)通用分布规律。该结论为具有相似结构特征的SOFC电堆的实验操作和参数选择提供了很好的参考。