3.1　电堆结构设计特征及相关理论

3.1.1　电堆设计结构

图3.1(b)~(d)展示了一种有如下两种结构特征的典型SOFC电堆[25]:

① 燃料和空气歧管被放置在电池层平面区域并且贯穿其中;

② 空气流道路径采用开放式排气歧管,如图3.1(c)所示。

图3.1(c)显示了每个单元电池表面上相应的阴极固体连接件和空气流道的布局。空气流道路径可以分为几个流场截面:①一个空气进口歧管贯穿每个电池平面;②在这种情况下,一个进料总管、半圆形和分配器是每个进口歧管上的必需部分,通过肋道在阴极表面喷射空气流;③在另一侧空气出口歧管采用开放式构型。在这种情况下,反应后的废气将会直接排出到操作环境空间。一般情况下,开放式出口歧管可以在每个堆电池单元出口处保持恒定的电压,并且利用排气所携带走的热能来保持电堆环境良好的工作温度。同样,图3.1(d)给出了阳极侧固体连接体和燃料流动路径的布局,其中一个入口和两个出口歧管被面对面放置在单元电池层的相对两侧。类似地,附加的进料主管、半圆形和分配器被连接到每个歧管上,以供给(或收集)或排出燃料气体,这是由于歧管被放置在单元平面区域内的缘故。

虽然体积/重量功率密度可以受益于上述的有两种特点的电堆设计,燃料(或空气)歧管贯穿于燃料电池平面区域会影响阴极(或阳极)表面的空气(或燃料)流道布局。这导致在电池单元表面上形成了一个更复杂的活动区域形状和流动路径的布局。如图3.1(c)所示,三个贯穿于燃料电池平面区域的歧管很大程度地影响空气流道在阴极表面的布局。它们使得三维大规模网格化和多物理场计算过程更具挑战性。

基于图3.1(b)中的结构图,图3.2(a)显示了具有上述两种结构特征的典型18层电池堆的三维大尺度模型。有关相应结构参数见表3.1。该模型由流动路径和固体组分组成。流动路径由燃料和空气流分布流形、进气/排气集管、半圆形、分配器、肋道、多孔支撑和功能阳极层以及多孔阴极功能层组成。所述固体组分包括致密的电解质、固体肋、多孔电极以及阴极和阳极肋道之间的互连。图3.2(b)进一步展示出了模型中一个电池单元的组成。

表3.1　与图3.1对应的主要结构参数

图3.2　(a)参照图3.1(b)的18层三维大尺度平板型电池堆;(b)模型中一个电池单元包含固体组件(固体和多孔电极)和流道(宏观流动路径和多孔电极)

通过将动量、质量、能量和准电化学反应守恒方程耦合到相应的区域,讨论堆内的多物理工作细节。连续性、动量和质量守恒方程适用于所有流场和多孔电极区。能量守恒方程适用于流体、多孔电极和固体区。准电化学守恒方程适用于多孔电极区。