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的化學能轉化為電能的設備，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。
　　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，耦合了電子導電過程、離子導電過程、氣

2、體輸運過程以及電化學反應過程。計算結果表明:通過適當提高運行溫度和電極電導率，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;特別當溫度較低、陰極電導率較小、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計的原因。
　　然而，一方面，陰極支撐型實際應用中會面臨一些限制其性能進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計，都為陽極支撐型的發(fā)展帶來了可能。
　　陽極支撐型設計需要合理的管道外側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計，針對陽極支撐型建立了電堆內空氣流場模型。計算分析多種設計方案，綜合考慮各結構參數(shù)對空氣流場影響，包括進出口管直徑、進出口管數(shù)、進出口管布置位置、流通截面、單電池間距等，對多種方案的堆內空氣流場各區(qū)域進行整體分析

4、和優(yōu)化設計，在此基礎上提出了一種陽極支撐型電堆的新型的空氣分配設計方案。
　　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，從下側面輸送空氣。對應的入口空氣流量分入3個歧管，歧管內流速降為原來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，入口側相對于出口側，均采用了截面縮窄的設計。通過增加流動路徑流動阻力的方式，降低分配器左側和頂部區(qū)域附近的空氣靜壓強，避免過

5、多的空氣通過分配器的左側和頂部繞過電池單元排列區(qū)未經(jīng)反應直接流出，使更多的氣流受迫進入電池單元區(qū)域，從而改善空氣在電池單元間的空氣分配質量;(3)沿SOFC單元管長度方向在電堆右側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量;(5)空氣分配器除入口處那個角，其余3個角用圓弧設計。圓弧設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，提高了空氣利用率，減少了空氣泵入功;(6)通過調整分配器左窄右寬，上窄下寬，尾氣收集管徑大小比例，調整空氣路徑各段流動阻力，達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