管式固體氧化物燃料電池跨尺度多物理場耦合數(shù)值分析優(yōu)化.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)總量的不斷提高，傳統(tǒng)的燃燒化石燃料提供動力的方式給環(huán)境造成了巨大的壓力，而固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種可以避開燃燒過程、不受卡諾循環(huán)限制而直接把燃料內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，具有高效率和低排放的優(yōu)勢，屬于與環(huán)境兼容的新能源技術(shù)。
　　研究以管式SOFC為對象，在電池單元尺度層面上，建立了一個多物理場耦合模型來研究電池構(gòu)型對其性能的影響。模型中考慮了集流件與電極間的接觸電阻，耦合了電子導(dǎo)電過程、離子導(dǎo)電過程、氣

2、體輸運(yùn)過程以及電化學(xué)反應(yīng)過程。計算結(jié)果表明:通過適當(dāng)提高運(yùn)行溫度和電極電導(dǎo)率，同時降低電極孔隙率、接觸電阻和輸出電壓有利于SOFC性能的提升;特別當(dāng)溫度較低、陰極電導(dǎo)率較小、陰極孔隙率較大、輸出電壓較低時，陰極支撐型管式SOFC性能優(yōu)于陽極支撐型管式SOFC，這也是傳統(tǒng)主流采用陰極支撐型設(shè)計的原因。
　　然而，一方面，陰極支撐型實際應(yīng)用中會面臨一些限制其性能進(jìn)一步提升的不利因素，另一方面，陽極支撐型在濃差損失和燃料利用率等方面相對

3、陰極支撐型占優(yōu)，加之近年來SOFC出現(xiàn)了有利于陽極支撐的新集流件設(shè)計，都為陽極支撐型的發(fā)展帶來了可能。
　　陽極支撐型設(shè)計需要合理的管道外側(cè)空氣分配方案與之配套，故在電池堆大尺度層面，區(qū)別于傳統(tǒng)的以陰極支撐型為主的電堆設(shè)計，針對陽極支撐型建立了電堆內(nèi)空氣流場模型。計算分析多種設(shè)計方案，綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣流場影響，包括進(jìn)出口管直徑、進(jìn)出口管數(shù)、進(jìn)出口管布置位置、流通截面、單電池間距等，對多種方案的堆內(nèi)空氣流場各區(qū)域進(jìn)行整體分析

4、和優(yōu)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上提出了一種陽極支撐型電堆的新型的空氣分配設(shè)計方案。
　　新型空氣分配器特點如下:(1)沿SOFC單元管長度方向在空氣入口平均布置了3根管，從下側(cè)面輸送空氣。對應(yīng)的入口空氣流量分入3個歧管，歧管內(nèi)流速降為原來1/3，從而有利于提高SOFC單元間的空氣分配均勻性;(2)分配器頂部相對于底部，入口側(cè)相對于出口側(cè)，均采用了截面縮窄的設(shè)計。通過增加流動路徑流動阻力的方式，降低分配器左側(cè)和頂部區(qū)域附近的空氣靜壓強(qiáng)，避免過

5、多的空氣通過分配器的左側(cè)和頂部繞過電池單元排列區(qū)未經(jīng)反應(yīng)直接流出，使更多的氣流受迫進(jìn)入電池單元區(qū)域，從而改善空氣在電池單元間的空氣分配質(zhì)量;(3)沿SOFC單元管長度方向在電堆右側(cè)空氣出口布置了兩排尾氣收集管，每排的3根管，從上到下管徑由小到大變化，具有阻力減小的特性，使得分配器右側(cè)的尾部收集區(qū)壓力從上到下壓力增加的問題得到緩解;(4)入口主管道系列歧管和出口尾氣收集系列歧管，兩者排列方向呈相互垂直特性，使空氣在電堆中的流動兼顧了縱向和

6、橫向的均勻性，從而改善了空氣在電池單元間及SOFC單元表面的空氣分配質(zhì)量;(5)空氣分配器除入口處那個角，其余3個角用圓弧設(shè)計。圓弧設(shè)計減少了空氣流動在分配器直角處的局部壓力損失，使空氣從入口到出口流動更連續(xù)，非電池排列區(qū)的空氣更多參與電池排列區(qū)的反應(yīng)，提高了空氣利用率，減少了空氣泵入功;(6)通過調(diào)整分配器左窄右寬，上窄下寬，尾氣收集管徑大小比例，調(diào)整空氣路徑各段流動阻力，達(dá)到入口空氣各歧管的均勻輸入和出口尾氣各收集歧管均勻輸出。對電