2.4.2　电池层间空气分配的决定参数

第i层电池单元内部压降Δpi与第j层电池单元内部压降Δpj的差别即Δpi-Δpj,可通过式(2.8)减去式(2.6)得到:

(-)-(-)=(+)+(γ-1)　(j>i)(2.9)

式中,γ=(-)/(-),代表O₂消耗和温度上升对动量流量的影响。对于大部分SOFC电堆,阴极侧空气流体中O₂的摩尔分数仅为21%,电堆整体的空气利用率一般在30%以下。以工作电流密度0.6A·cm-2和工作电压0.6V的SOFC电堆为例。当空气从进口主管道进入电池单元内部(如第i层电池单元),氧气消耗后汇入出口主管道过程中,氧气消耗引起的入口和出口主管道之间的质量流量变化量关系满足下式:

γ₁=>=93%(2.10)

由此,可得到由于氧气消耗引起的出、入口主管道的质量流量变化应该小于7%。

虽然电堆中工作温度的变化会导致气流膨胀及体积流量的变化,但不会改变质量流量。在入口主管和出口主管之间,由于温度升高引起的出/入口主管两侧的空气混合气体质量密度的变化应该不会高于下式估算结果:

γ₂=>==84.3%(2.11)

因此,由温度升高引起的出、入口侧主管道内空气流体的质量密度变化应不高于15.7%。

其次,出口主管道相比入口主管道的对应位置大概有10%的速度增量

γ₃==<γ₁/γ₂=110%(2.12)

在这种情况下,假定如果每层电池单元都得到一样的空气流量分配,'_L,i=1,则入口主管道和出口主管道内对应位置的动量变化应该在下式范围内(a=|1-γ|≈2.6%)。

γ==γ₁γ₃≈102.6%(2.13)

因此,γ可以估算为1.03。当然γ将很大程度上取决于实际的'_L,i分布情况。从图2.8可得到,在SOFC电堆过量空气供应的特征下,O₂消耗和电堆温升对空气分配质量以及流体动力学分析的结论的影响可以忽略不计。

图2.8　(a)充分考虑氧气消耗和温度升高影响的三维多物理场模型;(b)未考虑氧气消耗和温度升高影响的三维CFD模型计算得到的Z形电堆电池层间空气流量分布曲线

通常,由于分配给电堆中每层电池单元的空气质量流量主要由电池单元内部的压降(Δpi=-)驱动,因此电堆中电池单元之间较小的压降区别Δpi-Δpj是保证电池间'_L,i均匀性的关键。因此,电堆结构优化的一个重要任务是,通过调整电堆流道结构形貌、设计和几何参数,以获取最小的电池间压降差Δpi-Δpj。方程(2.9)右侧圆括号中的第一项主要来源于摩擦阻力贡献,其值在任何情况下均为正值。因此优化依赖于等式右侧的第二项。