新型固體氧化物燃料電池連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真

支訓(xùn)廷 ,王家堂 ,苗 鶴* ,尹明明 ,肖柳勝 ,戶睿淦 ,袁金良

（1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院,浙江 寧波 315832;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 材料與化學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430074）

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將反應(yīng)氣體中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置,具有發(fā)電效率高、原料成本低、噪音小等優(yōu)點(diǎn),是目前新能源領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[1-2].SOFC 結(jié)構(gòu)主要包括板式和管式.與管式SOFC 相比,板式SOFC 具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注.其中,連接件是板式SOFC 一個(gè)關(guān)鍵部件,其傳質(zhì)面積、反應(yīng)氣體的流速、壓力和濃度分布等因素直接影響電池的輸出功率.因此,人們通常采用優(yōu)化連接件結(jié)構(gòu)來增加電池傳質(zhì)面積占比,改善反應(yīng)氣體流速和濃度分布的均勻度,進(jìn)而提高燃料電池的輸出功率.

板式SOFC 連接件的流道主要有平直型、蛇形及離散型等[3-5].文獻(xiàn)[6-7]報(bào)道了采用變截面平直流道結(jié)構(gòu)可提高電池的功率密度及輸出功率.平直流道結(jié)構(gòu)流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但容易造成氣體分布嚴(yán)重不均,導(dǎo)致SOFC 發(fā)電效率下降[8-9].文獻(xiàn)[10-11]研究了蛇形結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)改變蛇形流場(chǎng)流道尺寸能顯著提高電池的平均電流密度.但蛇形流場(chǎng)的流道較長(zhǎng),會(huì)造成較大的壓降,影響其輸出功率[12-13].而離散型流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)反應(yīng)氣體的擾動(dòng),增加反應(yīng)氣體在離散單元所覆蓋區(qū)域下的滲透量,獲得較高的功率密度,因此近幾年受到了有關(guān)學(xué)者的青睞[14-16],其中連接件結(jié)構(gòu)是電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵.文獻(xiàn)[17-18]發(fā)現(xiàn),不連續(xù)對(duì)稱圓柱體結(jié)構(gòu)可提高流場(chǎng)分布的均勻性.文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了彎月狀凹凸結(jié)構(gòu),提高了反應(yīng)氣體分布的均勻性.Atyabi 等[20]設(shè)計(jì)的六棱柱體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了氧氣向氣體擴(kuò)散層的傳遞,提高了電池的傳質(zhì)能力.Li 等[21]使用柱形連接件使電堆在850 ℃時(shí)的功率密度提高至0.72 W·cm-2.高祥[22]研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于傳統(tǒng)連接體,離散式交叉形連接件結(jié)構(gòu)使SOFC 電池堆輸出電流密度增加了20.6%.但在電池的傳質(zhì)能力、電流密度等方面還存在一些問題,如不合理的離散結(jié)構(gòu)會(huì)使反應(yīng)氣體產(chǎn)生渦流,導(dǎo)致燃料發(fā)生短路;較小的壓降會(huì)影響電池的擴(kuò)散傳質(zhì)能力.

針對(duì)上述問題,本文提出一種新型的離散型連接件結(jié)構(gòu),即A 型連接件(由若干等腰三角形區(qū)域組成,而且等腰三角形區(qū)域交錯(cuò)布置).采用COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬仿真平臺(tái),模擬了由A型連接件構(gòu)成的三維SOFC性能,分析了電池模型的氣體速度場(chǎng)、氣體壓力場(chǎng)、氣體濃度場(chǎng)對(duì)電池性能的影響,改進(jìn)了離散體形狀與布置方式,優(yōu)化了流場(chǎng)的均勻性,提高了反應(yīng)氣體的利用率.與平直流道型連接件(B 型連接件)對(duì)比發(fā)現(xiàn),A 型連接件電池堆的最大輸出功率提升了61.27%,這可為提升電池性能提供參考.

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型和參數(shù)

本研究建立的A 型和B 型連接件的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1 所示.模型分別由電解質(zhì)、多孔氣體擴(kuò)散電極和氣體流道組成,電解質(zhì)在陰極和陽極之間,形成“三明治”結(jié)構(gòu).

圖1 SOFC 電池的幾何模型

工作條件下數(shù)值模型求解方程主要包括動(dòng)量、質(zhì)量、能量、電荷等控制方程,以及Nernst、Butler-Volmer、交換電流密度、歐姆定律等電化學(xué)反應(yīng)方程[23-26].

物質(zhì)傳遞控制方程為:

反應(yīng)氣體雖然在電極上持續(xù)反應(yīng),但總物質(zhì)質(zhì)量保持守恒.守恒方程為:

能量守恒控制方程為:

電荷守恒方程為:

式中: ?是哈密頓算子,表示該物理量的梯度;ρ是混合氣體密度,kg·m-3;ωi是氣體i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);U是流速,m·s-1;Ji是氣體i的擴(kuò)散通量,kg·(m2·s)-1;Ri是氣體i在電化學(xué)反應(yīng)中消耗速度或生成速度,kg·(m3·s)-1;Qbr是氣體質(zhì)量源項(xiàng),kg·(m3·s)-1;Qh是電池運(yùn)行各類熱量的總和,W·m-3;Cp是氣體定壓比熱容,J·(kg·K)-1;λeff是導(dǎo)熱系數(shù),W·(m·K)-1;和為電子和離子有效電導(dǎo)率,S·m-1;φelec和φion為隨著反應(yīng)進(jìn)行所形成的電子電勢(shì)和離子電勢(shì),V;Sa為發(fā)生反應(yīng)的活性比表面積,m2·g-1;E0是理想電池電壓,V;P是氣體分壓,P0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;R是摩爾氣體常數(shù);T是絕對(duì)溫度;F是法拉第常數(shù);ne為反應(yīng)發(fā)生時(shí)所遷移的電子數(shù);i是電流密度,A·m-2;i0是交換電流密度,A·m-2;ηact是活化極化損耗;β是傳輸系數(shù);iloc,a是陽極局部電流密度,A·m-2;i0,a是陽極交換電流密度,A·m-2;CR是原物質(zhì)影響系數(shù);CO是氧化物質(zhì)影響系數(shù);η是活化極化過電位;是陰極傳遞系數(shù);是陽極傳遞系數(shù);iv,c是陰極局部電流密度,A·m-2;av是活性比表面積;i0,c是陰極交換電流密度,A·m-2;為電池中的陰極氣體流道;CO2,ref為氧化物質(zhì)的參考影響系數(shù);Ct為電池運(yùn)行溫度的影響系數(shù).

數(shù)值模型所涉及的主要物理參數(shù)為[23-26]:i0,a為1166.2 A·m-2;i0,c為4 637.4 A·m-2;av為102 500 m2·g-1;陽極對(duì)電子有效傳導(dǎo)系數(shù)為2 149.2 S·m-1;陰極對(duì)電子有效傳導(dǎo)系數(shù)為5 093 S·m-1;陽極對(duì)離子有效傳導(dǎo)系數(shù)為2.266 9 S·m-1;陰極對(duì)離子有效傳導(dǎo)系數(shù)為2.266 9 S·m-1;電解質(zhì)對(duì)離子有效傳導(dǎo)系數(shù)為2.266 9 S·m-1;連接件對(duì)電子有效傳導(dǎo)系數(shù)為310.93 S·m-1;H2-H2O 擴(kuò)散系數(shù)為8.5×10-4m2·s-1;O2-H2O 擴(kuò)散系數(shù)為2.45×10-4m2·s-1;O2-N2擴(kuò)散系數(shù)為1.92×10-4m2·s-1;N2-H2O 擴(kuò)散系數(shù)為2.45×10-4m2·s-1;孔隙率為0.4;β為0.5;為2;為1.5;陽極出口壓力和陰極出口壓力均為0.

假設(shè)數(shù)值模型反應(yīng)氣體均為不可壓縮的理想氣體,多孔電極的材質(zhì)均勻且各向同性,電池內(nèi)部的氣體流動(dòng)均為層流流動(dòng).電池工作在恒定溫度800 ℃.電池采用氫氣和空氣作為陽極和陰極的入口氣體,氣體壓力設(shè)置在流道出口處,即背壓方式.

1.2 模型驗(yàn)證

對(duì)所建立的A 模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性和科學(xué)性驗(yàn)證.通過減少和增加網(wǎng)格數(shù)測(cè)試網(wǎng)格的獨(dú)立性.采用862 410、727 330、60 260、530 400、47 680個(gè)網(wǎng)格用COMSOL Multiphysics 軟件模擬計(jì)算模型A,在0.8 V 電壓下得到電流密度分別為9 020.5、9 019.8、9 018.6、9 014.2、9 012.1 A·m-2共5 個(gè)模型的電池輸出功率密度誤差小于1%.選擇網(wǎng)格數(shù)為530 400 時(shí)既能確保計(jì)算精度,又能減少模擬計(jì)算量.因此,以下計(jì)算中模型A 和B 均采用530 400個(gè)網(wǎng)格.為了驗(yàn)證數(shù)值模型的科學(xué)性,模型A 采用與文獻(xiàn)[18]中相同參數(shù),結(jié)果對(duì)比如圖2 所示.數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果之間的誤差小于1%,說明本文采用的數(shù)值分析方法可靠.

圖2 數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果[18]

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體速度場(chǎng)對(duì)比

圖3 為流道內(nèi)速度場(chǎng)分布.由于流動(dòng)阻力和氣體本身的擴(kuò)散特性,流道中反應(yīng)氣體在流動(dòng)過程中逐漸減少.當(dāng)反應(yīng)氣體達(dá)到多孔電極擴(kuò)散層時(shí),受電極低滲透率影響,反應(yīng)氣體速度場(chǎng)迅速減小.同時(shí),氣體本身的黏性系數(shù)也會(huì)影響氣流分布,在流道壁面形成邊界層,流動(dòng)中心的流速比周圍靠近壁面的流速大,最終導(dǎo)致反應(yīng)氣體到達(dá)電極擴(kuò)散層壁面時(shí)流速很小.

圖3 A 型與B 型氣體流速場(chǎng)分布(單位: m·s-1)

圖4 是2 種連接件所構(gòu)成電池的氣體速度場(chǎng)對(duì)比.從圖4 可知,A 型連接件陽極流道氣體的最大流速為0.74 m·s-1,大于B 型連接件的最大流速(0.56 m·s-1);陰極流道氣體的最大流速為0.85 m·s-1,大于B 型連接件的最大流速(0.31 m·s-1).A 型連接件流道的尺寸先增后減再增,往復(fù)變化,因此形成氣體流道截面規(guī)律性漸變,導(dǎo)致流道內(nèi)陽極氣體流速呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢(shì);而陰極流速呈現(xiàn)先減后增再減的趨勢(shì).表明A 型連接件陽極和陰極流道氣體均具有較大的流速,有利于提高反應(yīng)氣體的傳質(zhì)能力,提升電池性能.

圖4 A 型與B 型連接件氣體流速場(chǎng)對(duì)比

2.2 氣體壓力場(chǎng)對(duì)比

燃料電池工作時(shí),反應(yīng)氣體需足夠壓力才能保證反應(yīng)氣體的流速,提高反應(yīng)速率.不同結(jié)構(gòu)連接件的流動(dòng)阻力不同,不同流道設(shè)計(jì)模式下實(shí)際阻力存在一定差異.當(dāng)流道內(nèi)產(chǎn)生較大壓降時(shí),空壓機(jī)的功率增加,功率損耗隨之增加,導(dǎo)致燃料電池整體性能降低.流道進(jìn)出口壓降可反映流道流阻大小.圖5 為2 種連接件流道氣體的壓力分布.

圖5 A 型與B 型連接件氣體壓力場(chǎng)分布(單位: Pa)

圖6 是2 種連接件電池氣體壓力場(chǎng)對(duì)比.從圖6 可知,在流道內(nèi)部沿著氣體行進(jìn)方向流道壓力不斷下降,A 型連接件陽極流道壓降為5.87 Pa,陰極流道壓降為4.89 Pa.B 型連接件陽極流道壓降為7.78 Pa,陰極流道壓降為5.85 Pa.A 型連接件的陽極和陰極流道壓降均低于B型連接件,說明A型連接件氣體流道的阻力較小,更有利于氣體的流動(dòng),可減小空壓機(jī)的功率損耗,提升燃料電池的性能.

圖6 A 型與B 型的氣體壓力場(chǎng)對(duì)比

2.3 氣體濃度場(chǎng)對(duì)比

在固體氧化物燃料電池中,氧氣濃度在進(jìn)氣口前半部分迅速下降,之后速度趨于平緩.這主要是因?yàn)殡S著反應(yīng)進(jìn)行陰極流道中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)變化速率隨之加快.據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)可知,化學(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度成正比.當(dāng)氧氣消耗后,濃度下降,其反應(yīng)速率隨之變慢,氧氣消耗速度會(huì)減小.對(duì)于氫氣,燃料入口附近的氫氣濃度大,陽極處的反應(yīng)速度大于陰極處.據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理,當(dāng)氫氣濃度下降時(shí),其反應(yīng)速率隨之變慢,氫氣消耗速度減小.

圖7 是2 種連接件所構(gòu)成電池的氣體濃度場(chǎng)分布.從圖7 可發(fā)現(xiàn),A 型連接件流道區(qū)域顯示高濃度狀態(tài),且濃度分布比較均勻.

圖7 A 型與B 型連接件氣體濃度場(chǎng)分布

圖8 是2 種連接件所構(gòu)成電池的氣體濃度場(chǎng)對(duì)比.從圖8 可知,A 型連接件陰極和陽極的氣體濃度變化較為緩慢,說明A型連接件流道比B型顯示出更強(qiáng)的傳質(zhì)能力.

圖8 A 型與B 型連接件氣體濃度場(chǎng)對(duì)比

2.4 電池輸出電流、電壓及功率性能對(duì)比

在電池運(yùn)行過程中,輸出功率作為反映SOFC工作性能的重要參數(shù),直接反映了SOFC 的輸出能力和工作穩(wěn)定性.電池的輸出功率主要取決于電流密度,其本質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)速率.反應(yīng)氣體的濃度分布是影響電流密度的關(guān)鍵因素.

圖9 為2 種連接件所構(gòu)成電池在不同電壓下電流密度和輸出功率.

圖9 A 型與B 型電流、電壓及功率性能對(duì)比

從圖9 可知,2 種連接件呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì).隨著電壓增大,電流密度均隨之減小,輸出功率先增后減;A 型連接件電池的最大電流密度為19 389.253 A·m-2,B 型連接件電池的最大電流密度為9 466.127 A·m-2;A 型連接件電池的最大輸出功率為7 267.09 W·m-2,B型連接件電池的最大輸出功率為4 506.11W·m-2.與B 型相比,A 型的最大輸出功率提高了61.27%.

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種由等腰三角形區(qū)域交錯(cuò)布置而成的A 型離散連接件,對(duì)該連接件構(gòu)成的電池模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與平直流道型連接件進(jìn)行比較.結(jié)果發(fā)現(xiàn),A 型離散連接件構(gòu)成的電池模型流道內(nèi)的氣體流速較大,反應(yīng)氣體分布更均勻,具有更強(qiáng)的傳質(zhì)能力.采用A 型離散連接件的電池模型的陽極氣體流速約為平直流道型連接件電池模型的1.32 倍,陰極氣體流速約為2.74 倍,最大輸出功率提升了61.27%.