本文摘要：摘要：固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells,SOFCs)具有燃料適用性廣、余熱利用價(jià)值高、能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)下能量轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究熱點(diǎn)。但是，在商業(yè)化之前，SOFCs仍然存在著一些亟待改善的問題，其中，穩(wěn)定性和工作壽命便是最關(guān)鍵的問題。因?yàn)榱鲌雠c溫度
摘要：固體氧化物燃料電池(SolidOxideFuelCells,SOFCs)具有燃料適用性廣、余熱利用價(jià)值高、能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)下能量轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究熱點(diǎn)。但是，在商業(yè)化之前，SOFCs仍然存在著一些亟待改善的問題，其中，穩(wěn)定性和工作壽命便是最關(guān)鍵的問題。因?yàn)榱鲌雠c溫度場、電場相互耦合，不均勻的流場極易導(dǎo)致電池局部熱失控，產(chǎn)生熱應(yīng)力，對(duì)電池產(chǎn)生不可逆損壞，影響SOFCs系統(tǒng)壽命，所以改善流場設(shè)計(jì)、保證流動(dòng)均勻性是提高穩(wěn)定性和壽命的關(guān)鍵。對(duì)平板型SOFCs的流場設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了概述。
關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池;流場設(shè)計(jì);優(yōu)化發(fā)展
引言
傳統(tǒng)能源的消耗導(dǎo)致環(huán)境保護(hù)面臨的壓力增大，綠色、高效的能源技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注。其中，全固態(tài)結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池(SOFCs)作為能量轉(zhuǎn)換效率最高的一種發(fā)電技術(shù)，成為焦點(diǎn)之一[1]。其較高的工作溫度使得利用電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱能對(duì)燃料氣進(jìn)行重整成為可能，且其燃料種類選擇較為廣泛(如氫氣、天然氣、沼氣等等)[2–3]。因此，SOFCs作為分布式電源具有廣泛前景。
目前，SOFCs在少部分發(fā)達(dá)國家得到了良好的發(fā)展，并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。自20世紀(jì)90年代初以來，Jülich研究中心的SOFCs研究團(tuán)隊(duì)一直致力于SOFCs材料和電池堆棧的開發(fā)。目前開發(fā)了鐵素體鉻鋼陽極支撐電池并已成功上市，其功率密度在0.7V和700°C的工作條件下超過2Wꞏcm−2[4]。美國FY2020-21SOFCs項(xiàng)目組(Fiscalyear2020-21solidoxidefuelcellsprogram)最近完成了FuelCellEnergy(FCE)200kWSOFCs原型現(xiàn)場測試，隨后，200kW系統(tǒng)被成功安裝在賓夕法尼亞州匹茲堡的NRG能源中心并成功運(yùn)行 3500h[5]。
瑞士的Hexis公司正在商業(yè)化下一代的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)(CombinedHeatandPower,CHP)系統(tǒng)，新一代的電池片依舊采用的圓形板式電解質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)，輸出功率可達(dá)到1.5kW，交流發(fā)電效率達(dá)到40%，并且對(duì)5單元短堆經(jīng)過50次氧化循環(huán)、10次熱循環(huán)后進(jìn)行23000h穩(wěn)態(tài)測試，電壓衰減率為0.3%/1000h[6]。我國的SOFCs技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距，目前還停留在樣機(jī)開發(fā)階段，距離SOFCs的產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。產(chǎn)業(yè)化的核心因素是成本和壽命，且兩者之間相互關(guān)聯(lián)。
我國的稀土資源豐富，SOFCs的原料成本具有一定優(yōu)勢，因此，提高運(yùn)行壽命是降低發(fā)電成本的關(guān)鍵。電堆的流場會(huì)影響電場與溫度場，若流場分布不均則會(huì)導(dǎo)致電場分布不同，反應(yīng)放熱使得局部溫度升高，溫度越高的區(qū)域反應(yīng)越快，放熱越多，從而導(dǎo)致局部溫度失控，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，破壞電池的結(jié)構(gòu)。因此，流場的分布是影響SOFCs體系壽命的重要因素。SOFCs單電池單元的基本結(jié)構(gòu)包括單電池和與之相連的連接體。
空氣與燃料分別從陰極側(cè)與陽極側(cè)相鄰的連接體的導(dǎo)氣槽中通過并參與反應(yīng)。良好的連接體設(shè)計(jì)可以減小氣路壓降，有效提高SOFCs內(nèi)部流場的氣體擴(kuò)散程度及分布均勻性[7]。在設(shè)計(jì)連接體結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮三個(gè)因素：一是有利于氣體傳輸，降低濃差極化;二是使電流路徑盡可能短，減小歐姆極化;三是使氣體分布均勻，降低局部熱失控的可能性[8]。研究者們針對(duì)連接體結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，早期研究主要集中于連接體表面性能的改良與材料的合理選取方面[9–10]，作為對(duì)流場的傳熱傳質(zhì)、復(fù)雜流動(dòng)有著直接影響的要素，連接體結(jié)構(gòu)方面的研究顯得比較欠缺。
因此，針對(duì)連接體結(jié)構(gòu)尤其是連接體肋形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化成為近些年來研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文從SOFCs流場設(shè)計(jì)的發(fā)展過程和不同SOFCs流場形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，概述了SOFCs流場設(shè)計(jì)的常見幾何結(jié)構(gòu)、流動(dòng)結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣排氣方向以及氣道布置方式，介紹了研究者們針對(duì)流場各個(gè)組成部分(流道、連接體和歧管)進(jìn)行的流場優(yōu)化工作，同時(shí)簡述了流道仿真模擬數(shù)值模型的優(yōu)化進(jìn)程�？偨Y(jié)了現(xiàn)有的一些典型研究成果的同時(shí)指出其不足，為后續(xù)的SOFCs流場優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
1SOFCs流場設(shè)計(jì)的要素
由于SOFCs為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，故可以靈活地制作形成各種構(gòu)型。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的差異性，可將SOFCs分為平板式設(shè)計(jì)和管式設(shè)計(jì)，以及瓦楞型(Mono-blockLayerBuilttype,MOLB-type)設(shè)計(jì)[12]。
目前，商業(yè)化較為成熟的主要是平板型SOFCs[13]。平板型SOFCs具有以下特點(diǎn)：體積功率密度高，幾何形狀簡單，制備工藝簡單，成本較低，電流路徑短，氣流傳輸形式靈活，可采用同向流、對(duì)流、交叉流等形式;但也存在密封比較困難和抗熱循環(huán)能力差的缺點(diǎn)[14]。目前，平板型SOFCs電堆氣道的設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：電堆流場的整體幾何構(gòu)型、流動(dòng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣排氣方向、氣道的布置方式和幾何要素、電堆的縱向物理場分布。
1.1流場的整體幾何構(gòu)型
1.1.1平行流場
平行流場作為SOFCs常見的流場形式，通常是電池單元內(nèi)部由若干個(gè)平行排列的直通氣體流道構(gòu)成，具有流場結(jié)構(gòu)簡單，易于制造的特點(diǎn)。相較于其他形式的流場，單個(gè)電池單元內(nèi)平行流場氣體通道數(shù)目較多，因而氣體流速較低，氣體通道內(nèi)部壓強(qiáng)較小。2007年，Jang等[15]對(duì)平行流場、Z形流場和蛇形流場等常規(guī)流場進(jìn)行了研究。
計(jì)算得到的極化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，說明模型具備較好的準(zhǔn)確性。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)(ComputerFluidDynamics,CFD)工具的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)流場入口氣體氧氣含量為0.2時(shí)，平行流場、Z形流場和蛇形流場的氣路出口質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1457、0.1378和0.1225。由此看出，在這三種幾何構(gòu)型中，平行流場內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)消耗氧氣量最少。相較其他形式的常規(guī)流場，平行流場的性能最差。當(dāng)工作電壓為0.3V時(shí)，與Z形流場和蛇形流場相比，平行流場的電場分布更加均勻。同時(shí)，由于平行流場流道長度相對(duì)最短，流場設(shè)計(jì)中沒有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，所以平行流場內(nèi)部壓力分布更為均勻，入口出口之間壓降也較小。另外，平行流場內(nèi)部氣流分布均勻性也相對(duì)較好，電池壽命則更長。
1.1.2Z形流場
2006年，Maharudrayya等[16]開發(fā)了計(jì)算多個(gè)Z形流場配置中壓降和流量分布的算法，并通過與全三維CFD模擬結(jié)果的比較，驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。通過增加串聯(lián)的單Z型配置的數(shù)量，可以改善流量分布指數(shù)。結(jié)果顯示，單Z型配置具有最不均勻的流量分布，流量非均勻指數(shù)為0.48。2-Z、4-Z和5-Z型配置流量非均勻指數(shù)分別為0.25、0.15、0.12。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，流量分布的改善是以顯著壓降為代價(jià)的，5-Z配置下的壓降842.71Pa是單Z配置下的壓降73.75Pa的10倍以上。
2020年，Jiang等[17]采用一個(gè)完整的熱電-化學(xué)-機(jī)械耦合三維理論模型，研究了陰極支撐SOFCs中具有Z形和蛇形通道的雙極板的電池性能和熱應(yīng)力分布，模型的正確性得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。CFD計(jì)算結(jié)果表明，在低電流密度下Z形平行流道SOFCs具有較高的輸出功率，在高電流密度下三并聯(lián)蛇形流道SOFCs輸出功率更高。
對(duì)于Z形平行氣體通道，中間平行通道中的空氣速度小于入口和出口附近的空氣速度，電化學(xué)反應(yīng)消耗的氧氣不能立即由流場內(nèi)部對(duì)流流動(dòng)引起的氣體交換來提供，因而流場內(nèi)部形成了低氧摩爾濃度區(qū)域。對(duì)于三并聯(lián)蛇形通道，中間的平行通道部分氣流速度相對(duì)流場進(jìn)出口沒有明顯的降低，陰極中氧的摩爾分?jǐn)?shù)分布均勻，沒有明顯的低氧摩爾分?jǐn)?shù)區(qū)域。電解質(zhì)中的電流密度也受到陰極中反應(yīng)氣體濃度即氧濃度的影響，因而三并聯(lián)蛇形流場也具有更加均勻的電流密度分布。
1.1.3蛇形流場
2015年，Chang等[18]對(duì)不同深度的三通道蛇形(SerpentineFlowField,SFF)和平行蛇形流場(Parallel-SerpentineFlowField,PSFF)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)采用了凹模微電火花技術(shù)制作了SUS316L雙極板，比較了固定電壓下不同流道深度時(shí)(300μm、400μm、600μm)不同蛇形流道內(nèi)部氣體流速分布。結(jié)果表明，深度較淺的流道內(nèi)雖然氣體平均流速較高，但也在流速分布上表現(xiàn)出高度的不均勻性。同時(shí)，流道深度為600μm的電池單元雖然平均流速較低，電池單元的質(zhì)量傳輸性能有所不足，但較深的流道提高了流道橫截面積，并且流道內(nèi)部產(chǎn)生旋流使得電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得更加充分，流場內(nèi)溫度及熱應(yīng)力分布均勻。這也使得流道深度較深的電池單元在工作壽命以及整體性能上更具優(yōu)勢。
2018年，Saied等[19]建立了平面陽極支撐的SOFCs在三種不同流場設(shè)計(jì)下的三維數(shù)學(xué)模型，三種流場設(shè)計(jì)的區(qū)別主要體現(xiàn)在流場入口數(shù)上，分別為單入口蛇形流場、兩并聯(lián)蛇形流場和三并聯(lián)蛇形流場，并且研究者們將模擬結(jié)果與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性[20]。
CFD計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于單入口蛇形流場SOFCs，由于燃料消耗的提前，在陰極側(cè)出口處都會(huì)出現(xiàn)回流。為此，需要增加入口的數(shù)量，以增加質(zhì)量流量入口。研究結(jié)果顯示，三并聯(lián)蛇形流場較兩并聯(lián)蛇形流場性能更好，這表明多入口單元比單入口設(shè)計(jì)的單元能夠更有效地降低極化損耗。從電場表現(xiàn)來看，與主溝道相比，偏轉(zhuǎn)溝道處的電流密度更高，并且三蛇形流場具備更高的最大電流密度，所以三并聯(lián)蛇形流場電池輸出性能更好。
綜上所述，這三種傳統(tǒng)流場設(shè)計(jì)的主要區(qū)別在于流道數(shù)流道長度以及轉(zhuǎn)角數(shù)目的不同。故可以推斷在常規(guī)流場中增加拐角數(shù)、增加流道長度、減小流道數(shù)，可以有效降低傳質(zhì)損失，提高極限電流密度，從而提高電池性能，但是也會(huì)使得流道內(nèi)各物理場分布均勻性下降。增加蛇形流場入口的數(shù)目可以減少回流現(xiàn)象，減少極化損耗。另外，由于流道長度較長、拐角數(shù)較大，三種常規(guī)流場中蛇形流場的進(jìn)出口壓差最大，壓降的增加意味著氣體供應(yīng)所需的能耗更大。因此，對(duì)于Z形流場和蛇形流場，氣體供給的能耗較大。這也限制了這兩種流場形式在SOFCs中的運(yùn)用。
1.2流場的流動(dòng)結(jié)構(gòu)
平板式SOFCs根據(jù)氣體氣流方向的不同，主要分為對(duì)流、同向流和交叉流三種類型。對(duì)流型SOFCs陰陽極的氣體流向相反，同向流型SOFCs陰陽極的氣體流向相同，交叉流型SOFCs陰陽極的氣體流向相互垂直。2002年，Recknagle等[22]結(jié)合CFD模擬和電化學(xué)計(jì)算的方法建立了三維平面SOFCs的模型，該模型PEN(Positive-Electrolyte-Negative)結(jié)構(gòu)厚度為760mm，反應(yīng)活性面積為116.6cm2，并進(jìn)一步研究了電池流動(dòng)結(jié)構(gòu)(交叉流、同向流和對(duì)流流動(dòng)結(jié)構(gòu))對(duì)溫度、電流密度和燃料分布的影響。
當(dāng)工作電壓為0.7V時(shí)，三種流動(dòng)結(jié)構(gòu)的燃料利用率都為60%～70%，且交叉流情況下PEN板的溫差為269℃，同流溫差為184℃，對(duì)流溫差為267℃。這表明在燃料利用率和電池平均溫度相同的情況下，同流情況下的溫度分布最均勻，溫度梯度最小，使得電池內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，有利于保證堆芯組件的結(jié)構(gòu)完整性，延長電池壽命。2010年，Colpan等[23]建立了一個(gè)固體氧化物燃料電池濕化氫瞬態(tài)傳熱模型。該模型包含了所有的極化和傳熱機(jī)制，且耦合了電化學(xué)的關(guān)系式與傳熱方程，對(duì)同向流和逆流SOFCs的瞬態(tài)行為進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)流式SOFCs具有較高的燃料利用率、平均電流密度、功率密度和電效率，但對(duì)流式SOFCs達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間稍長。
2016年，Xu等[24]利用有限元方法建立了一個(gè)研究SOFCs熱應(yīng)力的綜合模型，該模型的準(zhǔn)確性得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。對(duì)于一個(gè)受壓物體，沿其軸線方向使該物體有壓縮趨勢的應(yīng)力為壓應(yīng)力，垂直于其軸線方向使其有向外擴(kuò)張趨勢的應(yīng)力為拉伸應(yīng)力。當(dāng)垂直于平面方向上的剪切應(yīng)力為零時(shí)，材料中產(chǎn)生的最大拉伸應(yīng)力即為第一主應(yīng)力。根據(jù)von-Mises理論，第一主應(yīng)力是分析熱應(yīng)力的主要參數(shù)模型。當(dāng)剪切應(yīng)力為零時(shí)，材料中產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力即為第三主應(yīng)力。CFD的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)電池的固定約束加劇了熱應(yīng)力行為。
當(dāng)頂部和底部都固定的情況下，最大拉伸應(yīng)力位于連接體線肋部和電解質(zhì)處，壓應(yīng)力分布在連接體位置。這是由于連接體外部施加的固定約束導(dǎo)致只存在電池單元的內(nèi)部位移，同時(shí)三相界面處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱引起熱膨脹進(jìn)而對(duì)連接體施加壓應(yīng)力，且氣體通道無法提供支撐，所以連接體肋下部分存在較大拉伸應(yīng)力，電解質(zhì)處由于熱膨脹也存在較大拉伸應(yīng)力。并且同向流情況下的電池內(nèi)部第一、第三主應(yīng)力均低于對(duì)流情況，這表明同向流情況下熱應(yīng)力較低，并且分布更加均勻。2018年，蔡?hào)|根[25]建立了平板式陽極支撐SOFCs的三維模型，模型的準(zhǔn)確性得到了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，研究了同流、對(duì)流和交叉流三種流動(dòng)方式下電池的溫度場及熱應(yīng)力場的分布。
模擬結(jié)果表明，同流情況下SOFCs綜合性能最好。在流道高度和流道數(shù)一定時(shí)，增加進(jìn)氣流道寬度，SOFCs進(jìn)氣總量增加，平均電流密度上升，使得電池單元的電化學(xué)性能提高，同時(shí)也可以降低SOFCs最大等效應(yīng)力和形變位移值，提升其結(jié)構(gòu)性能;在流道高度和總進(jìn)氣量一定時(shí)，減少流道數(shù)，SOFCs平均溫度降低，溫度梯度減小，平均電流密度降低，電化學(xué)性能變差;在流道寬度和流道數(shù)一定時(shí)，增加進(jìn)氣流道高度，SOFCs總進(jìn)氣量加大，平均電流密度增加，有利于提升SOFCs的電化學(xué)性能。
2019年，Kim等[26]針對(duì)固體氧化物燃料電池單電池進(jìn)行了計(jì)算研究，基于陽極-基板平板式SOFCs構(gòu)建了三維數(shù)值模型在同流、逆流和交叉流情況下考察了與熱力學(xué)勢及過電位等相關(guān)性能分布。其中，設(shè)置模型的反應(yīng)區(qū)域?yàn)?.01m2(0.1m×0.1m)，PEN結(jié)構(gòu)厚度為5.36mm。計(jì)算結(jié)果表明：同向流、對(duì)流和交叉流情況下的最高溫度分別為851℃、850℃和855℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)差分別為12℃、15℃和14℃。因此，同向流結(jié)構(gòu)比其他流動(dòng)配置具有更均勻的溫度分布，其峰值溫度略高于逆流配置。根據(jù)Peksen對(duì)SOFCs三種不同工況的模擬結(jié)果，溫差越小，熱機(jī)械性能越好[27]。SOFCs電堆得到大規(guī)模商用需要盡量使電堆內(nèi)部溫度分布均勻，同時(shí)也要控制電池單元內(nèi)部熱應(yīng)力，避免由于熱應(yīng)力分布不均勻或者局部熱應(yīng)力過大對(duì)電堆結(jié)構(gòu)完整性造成損壞。
綜上所述，同向流設(shè)計(jì)具備最均勻的溫度分布，這是由于燃料和空氣沿同一方向穿過電池，反應(yīng)較為充分均勻;逆流結(jié)構(gòu)中空氣和燃料反向流動(dòng)，該結(jié)構(gòu)具有最高的效率和較高的局部溫度梯度;交叉流設(shè)計(jì)中空氣和燃料通道的路徑相互垂直，在系統(tǒng)的歧管設(shè)計(jì)和氣體線路布置方面具有顯著優(yōu)勢，但交叉流溫度分布特性較差。實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮到熱應(yīng)力分布、反應(yīng)效率及制造工藝，選取最為合適的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
1.3流場的進(jìn)氣排氣方向
通常，SOFCs流場中進(jìn)氣出氣方向之間的關(guān)系可以是出口氣體流向與進(jìn)口氣體相反方向的U型進(jìn)出氣口配置，或者是入口和出口氣流方向相同的Z型進(jìn)出氣口配置[28]。研究者們針對(duì)不同進(jìn)出氣口方向下電池流場所表現(xiàn)出的各方面性能進(jìn)行了相應(yīng)的研究。
2009年，Mustata等[29]論證了在簡化工況下對(duì)300W質(zhì)子交換膜燃料電池堆棧內(nèi)部全空氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬的可能性和意義，并且通過比對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。進(jìn)出氣口U型和Z型配置下雙極板入口質(zhì)量流量分布顯示Z型配置下入口處質(zhì)量流量分布均勻性更佳。2014年，Imbrioscia等[30]為得到較好的流場速度均勻性針對(duì)Z型配置進(jìn)出氣口平行流道進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)。并且在歧管寬度恒定的情況下改變歧管的深度與流道的寬度，得到了兩種均勻性較好的設(shè)計(jì)(見圖10)，其不均勻系數(shù)分別為0.16和0.23。兩種設(shè)計(jì)下電池單元內(nèi)部應(yīng)力場分布較為均勻，說明電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行較為均勻，產(chǎn)生熱效應(yīng)分布較好。但是新型設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)其制造成本更高。2015年，Wang等[31]開發(fā)了一種用于評(píng)估U型配置結(jié)構(gòu)下流量分布和壓降的均勻性的離散方法，比較了U型配置和Z型配置之間的區(qū)別。這項(xiàng)研究定義了控制流場分布的結(jié)構(gòu)參數(shù)：
(1)M，流道面積與進(jìn)氣頭面積之和的比值;(2)ζ，流道的平均水頭損失系數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，減小M或者增大ζ進(jìn)行設(shè)計(jì)可以提高電池堆棧流場分布的均勻性，當(dāng)進(jìn)一步選取較小的M以及較大的ζ時(shí)，U型配置下的流場分布均勻性優(yōu)于Z型配置下的流場分布均勻性。當(dāng)ζ增大或M減小時(shí)，U型和Z型之間的差距減小，但是，當(dāng)M減小或ζ增大時(shí)，Z型比U型對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化更敏感，并且比U型更快地實(shí)現(xiàn)均勻的流量分布。前期相關(guān)研究多集中于U型與Z型配置單電池結(jié)構(gòu)，但是在較大的疊加規(guī)模上的相關(guān)實(shí)驗(yàn)與研究成果卻較少。近年來研究者們逐步開展基于不同結(jié)構(gòu)大規(guī)模電堆的相關(guān)研究。
2019年，Zou等[32]基于Z型和U型兩種典型配置的30層堆棧采用數(shù)值模擬方法研究了電堆的陰極流動(dòng)特性。仿真結(jié)果表明，對(duì)于SOFCs的空氣側(cè)流動(dòng)，U型配置下各層的流動(dòng)供給由下至上逐漸減少，流體主要聚集在輸入側(cè)下層。Z型配置下各層的流量供給由下至上逐漸增大。流體主要分布在輸入側(cè)上層。這兩種結(jié)構(gòu)在流動(dòng)和散熱方面都有所不足。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)其分布規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以克服其不足。
2020年，Huang等[33]基于一個(gè)200單元質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)電堆開發(fā)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證CFD模型，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果表現(xiàn)出了較好的一致性。該電堆具有較薄的沖壓雙極板和250cm2的有效面積，計(jì)算結(jié)果顯示U型配置下質(zhì)量流量偏差隨著與入口距離的增加而增大，Z型配置則與之相反。與U型配置相比，Z型配置顯示出極不均勻的質(zhì)量流量;并且U型配置的整體壓降低于Z型配置，U型和Z型配置下電池的電壓標(biāo)準(zhǔn)差分別為7mV和20mV。這表明Z型配置內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行程度各處分布更為不均，不利于電池的長期工作。
綜上所述，通常情況下，電堆U型配置比Z型配置的流量分布更均勻，但是增大電堆所有通道面積之和與進(jìn)氣管總面積之比等物理量將使得兩種流場類型性能接近，同時(shí)Z型配置表現(xiàn)出了對(duì)電堆結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的更強(qiáng)的適應(yīng)性。針對(duì)部分研究出現(xiàn)相反的結(jié)論的情況，可能是由于不同研究者對(duì)模型做出的簡化和假設(shè)不同，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證導(dǎo)致模型失去真實(shí)可靠性。目前，傳統(tǒng)的U型Z型配置下電池流場速度均勻性有待提高，可以從離散方法入手控制歧管的寬度，使得流場進(jìn)氣更加均勻。
1.4氣道的布置方式和幾何要素
為了產(chǎn)生足夠高的輸出電壓，電池單元堆疊形成電堆，各單元在電流回路上形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這也帶來了一些技術(shù)上的難題。例如，反應(yīng)氣體必須能夠在每個(gè)電池的任一側(cè)流動(dòng)，但電池單元之間又必須保持電接觸。此外，反應(yīng)氣體不能泄漏到周圍環(huán)境中，或與電池單元相反側(cè)反應(yīng)氣體混合。這些功能往往通過電堆內(nèi)部連接體實(shí)現(xiàn)。針對(duì)內(nèi)氣道設(shè)計(jì)，連接體內(nèi)部通道還具備導(dǎo)入原料氣體和收集廢氣的功能。外氣道設(shè)計(jì)則與之相反，其側(cè)蓋靠著電池堆和隔板放置。這兩種技術(shù)解決方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，不同應(yīng)用環(huán)境下的優(yōu)劣仍有待確定。
1.5電堆的縱向物理場分布
電池片堆疊形成堆棧存在一些平面維度上的問題，而在縱向維度上也存在著物理場分布的不同特性。例如，在溫度場的分布上，電池堆棧中位于中間位置的電池單元由于上下兩側(cè)均與其他電池單元接觸導(dǎo)致邊界處散熱受阻，反而受到其他單元反應(yīng)放熱的影響被加熱，進(jìn)一步加劇了中間電池單元與周圍環(huán)境溫差，形成局部高溫區(qū)域。在電流密度的分布上，電堆單元的平均電流密度要小于單電池的電流密度。
一方面，這是因?yàn)殡姸训亩询B結(jié)構(gòu)降低了反應(yīng)氣體利用率，使得每個(gè)單元參與反應(yīng)的氣體量減小，電流密度下降;另一方面，是因?yàn)橄噜弮善瑔坞姵亟佑|面上存在接觸電阻。綜上所述，進(jìn)行電堆縱向上的物理場分布特性研究十分有必要。2015年，Li等[43]利用CFD工具FLUENT，結(jié)合內(nèi)部開發(fā)的外部子程序，對(duì)30單元的平板式SOFCs堆進(jìn)行了建模。電堆內(nèi)的溫度分布結(jié)果顯示，沿電堆高度方向存在較大的溫度梯度。電堆與環(huán)境之間的熱交換對(duì)溫度場影響顯著，最高溫度出現(xiàn)在中間單元，最低溫度出現(xiàn)在頂部和底部單元。電堆高度方向的壓降分布變化不大。
2017年，Yu等[44]采用超薄K型熱電偶，直接測量了三種電堆的內(nèi)部溫度分布。他們?cè)O(shè)計(jì)了控制環(huán)境溫度與預(yù)重整氣流溫度的系統(tǒng)，針對(duì)由兩個(gè)30單元電堆組成的電池組，電池單元中間溫度最高，頂部溫度次之，底部溫度最低。當(dāng)控制外部溫度為750℃時(shí)，入口區(qū)域中間部分溫度最高，為768℃。且頂部與底部的溫差可以控制到小于45℃。2020年，劉昊錕[45]對(duì)電堆尺度的SOFCs模型進(jìn)行模擬分析。將改進(jìn)后的電堆疊串聯(lián)成電堆，對(duì)電堆進(jìn)行模擬分析，與單片電池的模擬結(jié)果對(duì)比。分析比較了3片電池電堆與單片電池輸出性能的差異。隨后增加電堆中電池?cái)?shù)量，發(fā)現(xiàn)3片和5片電池片組成的電堆各層之間氫摩爾分?jǐn)?shù)分布幾乎沒有區(qū)別。
實(shí)際運(yùn)用中SOFCs的運(yùn)用是以多單元組合形成的電堆形式出現(xiàn)，多電池片的堆疊結(jié)構(gòu)使得針對(duì)電堆高度方向上的物理場分布研究顯得十分必要。目前，局限于模擬設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)條件，研究者們主要針對(duì)單元數(shù)目較少的電堆進(jìn)行模擬。研究結(jié)果顯示，物理場變化不明顯或是得出電堆某一部分出現(xiàn)溫度較高的情況。針對(duì)這種現(xiàn)狀，需要增加電堆單元數(shù)，進(jìn)一步探究出現(xiàn)物理場分布不均的機(jī)理，規(guī)避這種情況對(duì)實(shí)際電堆的損害。
2SOFCs流場優(yōu)化設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的平行氣道模式可能會(huì)因?yàn)檫吔鐥l件的變化，比如供氣流量降低，導(dǎo)致許多氣道內(nèi)部的燃料氣沒有充分反應(yīng)，而一些新型設(shè)計(jì)可以保證氣體的充分反應(yīng)。隨著高強(qiáng)度連接體材料的充分發(fā)展和制造成本的降低，這將成為今后SOFCs優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)趨勢。
2.1流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
在陽極流道優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，Danilov等[46]提出了SOFCs陽極流場的新方案，并建立了三維數(shù)值模型，考慮了多種燃料組分與氣體的內(nèi)部重整以體現(xiàn)流場設(shè)計(jì)、內(nèi)部重整反應(yīng)和電極反應(yīng)對(duì)SOFCs性能的影響。模擬結(jié)果表明，在常規(guī)陽極流場設(shè)計(jì)中，入口歧管中存在氣體回流，以及速度、溫度、電流密度的非均勻分布。
同時(shí)由于入口截面窄、流速大有利于快速重整反應(yīng)。與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，新型設(shè)計(jì)入口氫的濃度較高，電化學(xué)反應(yīng)性能得到了提高。新型陽極流場設(shè)計(jì)則具有更均勻的流場參數(shù)分布，這使得SOFCs的效率與性能大大提高。該模型有望用于今后的流場設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中。2010年，Suresh等[47]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的蛇形流場。這種流場的總體壓降較低，從而減少了由于反應(yīng)氣體通過流場而引起的輸出功率損耗。反應(yīng)物均勻分布于整個(gè)電池活性區(qū)域，且相鄰的蛇形通道之間缺氧的部分可以得到氧氣補(bǔ)充，反應(yīng)更加充分，相應(yīng)的電場溫度場分布更加均勻，電池性能相較單蛇形流場結(jié)構(gòu)更好。
2.3損失更小的歧管設(shè)計(jì)
2010年，Bi等[39]采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)大尺寸平面固體氧化物燃料電池(planarSolidOxideFuelCells,pSOFCs)的U型并聯(lián)通道進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)化后的幾何參數(shù)包括入口歧管和出口歧管截面的長寬比以及出口歧管寬度與進(jìn)口歧管寬度之比(α)等。CFD計(jì)算表明，在pSOFCs中，為了保證空氣和燃料的流動(dòng)均勻性，需要一個(gè)合適且相對(duì)較大的歧管寬度，使得優(yōu)化后沿著歧管的流動(dòng)摩擦和壓降更小，能量損失更小。
2014年，Jackson等[54]對(duì)Z型SOFCs的流道歧管進(jìn)行了優(yōu)化，降低了進(jìn)入平行直通道中氣體流場的不均勻性。研究者們運(yùn)用離散方法來評(píng)估流量分配不均，推導(dǎo)了增加歧管寬度的函數(shù)關(guān)系，并且驗(yàn)證了離散方法的準(zhǔn)確性，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)減少了寄生損失壓降和流量分配不對(duì)稱性。2014年，Dey等[55]在入口和出口歧管區(qū)添加了邊長為1.5mm的方形柱體，通過增加氣體的擾動(dòng)使得流場進(jìn)氣更加均勻。
2016年，Duhn等[56]設(shè)計(jì)了一種新型的氣體分布器。這種氣體分布器位于入口歧管區(qū)，可以改善設(shè)計(jì)固有的流量分配不均，將氣流均勻分配到平行直通道中。通過改變分布器的幾何參數(shù)wcc、β(β=wsc/wcc)、wb實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終可使得流動(dòng)均勻性指數(shù)最終達(dá)到0.978。
2.4數(shù)值模型的優(yōu)化
隨著CFD技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，建立數(shù)值模型，對(duì)SOFCs進(jìn)行CFD模擬可以高效地預(yù)測其性能與參數(shù)分布，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)以及進(jìn)一步優(yōu)化等工作提供重要參考。研究者們利用軟件工具不斷建立并完善三維數(shù)值模型，使其更加符合現(xiàn)實(shí)情況。早期的燃料電池建模往往假設(shè)電池運(yùn)行過程中內(nèi)部所有電池單元狀態(tài)是一樣的，只針對(duì)一個(gè)電池單元進(jìn)行建模。事實(shí)上，由于電池工作時(shí)相應(yīng)邊界條件的不同，所處物理位置不同的電池單元狀態(tài)是不同的。
1995年，曹廣益等[57]針對(duì)同向流熔融碳酸鹽燃料電池進(jìn)行建模，假設(shè)存在平面的二維溫度分布，并運(yùn)用加權(quán)殘差法求解整機(jī)方程。且模型中許多參數(shù)使用的是穩(wěn)態(tài)條件下的實(shí)驗(yàn)值，存在許多理想化的假設(shè)與簡化。顯然，這種建模方式具有很大的局限性，后續(xù)學(xué)者選擇針對(duì)電池實(shí)際工作情況下的細(xì)節(jié)(如電池內(nèi)部氣體流動(dòng)狀況)進(jìn)行建模分析。2005年，湯根土等[58]對(duì)單電池模型進(jìn)行仿真分析，對(duì)內(nèi)部氣體流動(dòng)與分布進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。結(jié)果表明，電池內(nèi)部的反應(yīng)物濃度與電流密度對(duì)電池濃度過電勢有著重要影響，增大陽極厚度，可以降低電池過電勢。
3總結(jié)與展望
發(fā)展和優(yōu)化SOFCs流場形式和布局是提高其性能、穩(wěn)定性及壽命的一大重要手段。研究們從流場的幾何構(gòu)型、流動(dòng)結(jié)構(gòu)、進(jìn)氣排氣方向、氣道的布置與幾何設(shè)計(jì)入手開展了許多相關(guān)性研究。目前，流場設(shè)計(jì)均勻程度普遍不高，物理量分布不均，當(dāng)下研究熱點(diǎn)是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)找到更符合流動(dòng)特性的氣道設(shè)計(jì)、損失更小的歧管設(shè)計(jì)，并推進(jìn)肋形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與數(shù)值模型的完善。對(duì)于SOFCs的流場優(yōu)化設(shè)計(jì)，仍有許多問題值得繼續(xù)探索。
(1)SOFCs在不同復(fù)雜工況下的流場分析與優(yōu)化。首先，SOFCs工作參數(shù)的不同，如SOFCs工作的最適環(huán)境溫度與壓強(qiáng);其次，SOFCs的燃料組分不同，物理特性和反應(yīng)特性與純氫氣差異較大。例如：重整反應(yīng)的產(chǎn)物不僅有CO，還有CO2，需將高溫條件下的重整反應(yīng)考慮進(jìn)SOFCs的仿真計(jì)算中，并加入到化學(xué)模型中。
(2)模型對(duì)象的選擇。目前，研究者們所建模驗(yàn)證的部分是單電池，與實(shí)際應(yīng)用的電堆物理場分布存在差異，因此，模型建立應(yīng)采用電堆。此外，模擬電堆過程中往往假設(shè)的是電堆在正常工作條件下展開，而實(shí)際應(yīng)用中的電堆工作在高溫環(huán)境下，長時(shí)間的運(yùn)行必然使得電堆出現(xiàn)性能衰減或故障情況，出現(xiàn)衰減和故障后，各物理場的分布及變化趨勢也是未來值得研究的方向。(3)關(guān)于模型計(jì)算的驗(yàn)證。需要通過合理的電堆測試程序?qū)Ω鲄?shù)進(jìn)行表征，以便得到科學(xué)的結(jié)果，來對(duì)模擬仿真的模型進(jìn)行校正，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。
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作者：白虎1，馮宇1，葉曉峰2，冷志忠1，張博1，周娟1
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