管式固体氧化物燃料电池跨尺度多物理场耦合数值分析优化.docx

管式固体氧化物燃料电池跨尺度多物理场耦合数值分析优化随着全球经济总量的不断提高,传统的燃烧化石燃料提供动力的方式给环境 造成了巨大的压力，而固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以避开燃烧过程、不 受卡诺循环限制而直接把燃料内的化学能转化为电能的设备,具有高效率和低排 放的优势，属于与环境兼容的新能源技术研究以管式SOFC为对象，在电池单元 尺度层面上， 建立了一个多物理场耦合模型来研究电池构型对其性能的影响模型中考虑了集流件与电极间的接触电阻，耦合了电子导电过程、离了导电 过程、气体输运过程以及电化学反应过程计算结果表明:通过适当提高运行温 度和电极电导率，同时降低电极孔隙率、接触电阻和输出电压有利于SOFC性能的 提升;特别当温度较低、阴极电导率较小、阴极孔隙率较大、输出电压较低时， 阴极支撑型管式SOFC性能优于阳极支撑型管式SOFC,这也是传统主流采用阴极 支撑型设计的原因然而， 一方面， 阴极支撑型实际应用中会面临一些限制其性能进一步提升的 不利因素， 另一方面， 阳极支撑型在浓差损失和燃料利用率等方面相对阴极支撑 型占优，加之近年来SOFC出现了有利于阳极支撑的新集流件设计,都为阳极支撑 型的发展带来了可能。

阳极支撑型设计需要合理的管道外侧空气分配方案与之配 套，故在电池堆大尺度层面， 区别于传统的以阴极支撑型为主的电堆设计， 针对阳 极支撑型建立了电堆内空气流场模型计算分析多种设计方案， 综合考虑各结构参数对空气流场影响， 包括进出口 管直径、进出口管数、进出口管布置位置、流通截面、单电池间距等， 对多种方 案的堆内空气流场各区域进行整体分析和优化设计，在此基础上提出了一种阳极 支撑型电堆的新型的空气分配设计方案新型空气分配器特点如下：(1)沿SOFC 单元管长度方向在空气入口平均布置了 3 根管,从下侧面输送空气对应的入口空气流量分入3个歧管,歧管内流速降为原来1/3,从而有利于提 高 SOFC 单元间的空气分配均匀性 ;(2) 分配器顶部相对于底部 , 入口侧相对于出 口侧,均采用了截面缩窄的设计通过增加流动路径流动阻力的方式,降低分配器 左侧和顶部区域附近的空气静压强,避免过多的空气通过分配器的左侧和顶部绕 过电池单元排列区未经反应直接流出,使更多的气流受迫进入电池单元区域,从 而改善空气在电池单元间的空气分配质量；(3)沿SOFC单元管长度方向在电堆右 侧空气出口布置了两排尾气收集管,每排的 3 根管,从上到下管径由小到大变化, 具有阻力减小的特性,使得分配器右侧的尾部收集区压力从上到下压力增加的问 题得到缓解；(4)入口主管道系列歧管和出口尾气收集系列歧管,两者排列方向呈 相互垂直特性,使空气在电堆中的流动兼顾了纵向和横向的均匀性,从而改善了 空气在电池单元间及SOFC单元表面的空气分配质量；(5)空气分配器除入口处那 个角,其余3个角用圆弧设计。

圆弧设计减少了空气流动在分配器直角处的局部压力损失,使空气从入口到 出口流动更连续,非电池排列区的空气更多参与电池排列区的反应,提高了空气 利用率,减少了空气泵入功；(6)通过调整分配器左窄右宽,上窄下宽,尾气收集管 径大小比例,调整空气路径各段流动阻力,达到入口空气各歧管的均匀输入和出 口尾气各收集歧管均匀输出对电池堆的计算结果显示,最终优化方案相比目前 的一进一出空气分配方案,各主截面内速度标准偏差从 4.0401 降为 0.9915,无量 纲的质量流量比从0.5以上占38.1%提升到0.5以上占87.2%,实现了电堆中空气 较均匀分配与现有技术相比,此空气分配器可为阳极支撑型管式电堆提供可靠的空气分配质量,解决了其实用化面临的技术难题之一,为研发高性能管式 SOFC 电堆提供了重要的技术支持。