陽極燃料流速對SOFC性能影響的研究

杜振華，魏勝利，馬萬達(dá)，倪士棟

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

近年來，全球主要發(fā)達(dá)國家對氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展高度重視，大多數(shù)國家將氫能上升到國家能源的戰(zhàn)略高度，且我國在其中踐行“碳達(dá)峰、碳中和”的歷史使命中承擔(dān)著重要作用[1-2]。固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell，SOFC)相比于其它燃料電池具有較高的運(yùn)行溫度(600 ℃以上)，高溫特性實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的同時(shí)也帶來實(shí)驗(yàn)操控不便、對電極材料要求較高等挑戰(zhàn)[3-6]；通過建立數(shù)學(xué)模型可在穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)情況下對SOFC 進(jìn)行參數(shù)預(yù)測分析以及性能優(yōu)化等研究，從而得到相應(yīng)的最佳運(yùn)行方案。

在結(jié)構(gòu)方面，Khazaee 等[7]將SOFC 的流道截面形狀從矩形改為三角形和梯形，結(jié)果顯示，矩形流道的性能優(yōu)于梯形與三角形流道。Kong 等[8]提出了一種X 型互連流道，通過比較傳統(tǒng)型與新型通道SOFC 模型的輸出性能，結(jié)果表明，X 型互連型連接通道模型有利于SOFC 氣體的傳輸，有效減少了電流路徑，提高了SOFC 的性能。在運(yùn)行工況方面，于建國等[9]在建立三維數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，探究陽極煤氣化合成氣流量對SOFC 性能的影響，結(jié)果顯示：進(jìn)氣流量的增加可有效降低SOFC 的溫度，并且有利于提高輸出功率密度。Yasin等[10]在研究流道障礙物對SOFC 的影響時(shí)，分析了燃料流速對陽極傳質(zhì)的影響，結(jié)果顯示，速度越大，反應(yīng)效率下降，燃料利用率降低。靳紅煒等[11]探究了溫度、燃料流量、氫氣摩爾分?jǐn)?shù)等工況對SOFC 不可逆熱力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，提高溫度以及降低氫氣初始摩爾分?jǐn)?shù)、燃料流量都能夠在一定程度上提高?效率與發(fā)電效率。

當(dāng)前在進(jìn)氣邊界條件對SOFC 各物理場影響規(guī)律的分析仍不夠全面深入。本研究對燃料流速進(jìn)行單一變量分析，探究陽極流速對SOFC 綜合性能的影響。

1 SOFC 仿真模型的建立

1.1 工作原理與幾何模型

以氫氣為燃料的SOFC 工作原理示意圖如圖1 所示。

圖1 SOFC的工作原理示意圖

空氣中的氧氣在陰極側(cè)吸附解離與電子結(jié)合生成氧離子：

氧離子在電位差以及氧離子濃度差的作用力下，穿過電解質(zhì)中的氧離子空位到達(dá)陽極，與氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：

電池的總反應(yīng)：

所建立的平板式SOFC 模型結(jié)構(gòu)主要包括電解質(zhì)、陽極功能層、陽極擴(kuò)散層、陰極電極以及對應(yīng)的氣體流道和集流體部分，如圖2 所示。

圖2 平板式SOFC結(jié)構(gòu)單元組成

表1 模型幾何參數(shù) m

1.2 控制方程與基本假設(shè)

SOFC 內(nèi)部涉及復(fù)雜物理化學(xué)過程，通過控制方程建立對SOFC 電-化-熱多物理場耦合理論模型，其主要控制方程如式(4)～(10)所示。

Butler-Volmer 方程：

動(dòng)量方程：

傳質(zhì)方程：

傳熱方程：

式中：i0為電極交換電流密度；CR與CO為SOFC 活化區(qū)域的摩爾濃度比；αa與αc分別為電極的陽極和陰極傳遞系數(shù)；T為溫度；η 為過電位；ρ為流體密度；u為流體速度；p為壓力；μ為流體動(dòng)力粘度；ε為多孔介質(zhì)孔隙率；κ為滲透率；Q為質(zhì)量源項(xiàng)；F為體積力矢量；ωj為物質(zhì)j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Rj為混合物中物質(zhì)j在電化學(xué)反應(yīng)中的生成或消耗速率；Kd為參考擴(kuò)散系數(shù)；Cp為材料的恒壓熱容；Qh為熱源項(xiàng)。

在建立計(jì)算模型時(shí)需做出以下基本假設(shè)與簡化[12-14]：(1)所涉及氣體在傳輸過程中均為理想氣體；(2)不考慮SOFC 的啟停瞬時(shí)情況，假設(shè)整個(gè)過程中該系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行；(3)假設(shè)電極和電解質(zhì)材質(zhì)均勻且各項(xiàng)同性；(4)不考慮熱輻射傳熱方式。

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我省農(nóng)民收入正朝著多渠道、多元化的方向發(fā)展，不再局限于務(wù)農(nóng)收入，農(nóng)民的家庭收入也在逐步提高。但是仍有較大的提高空間，部分農(nóng)民家庭收入還存在著一些問題。目前我省農(nóng)民總體來說主要依靠一下四大類收入：

1.3 邊界條件及模型驗(yàn)證

燃料入口氣體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的氫氣和60%的水蒸氣；陰極氣體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%氧氣和79%氮?dú)?。其它邊界參?shù)[14-17]如表2 所示。

表2 模型部分邊界參數(shù)

為保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，需對其進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證。對于驗(yàn)證模型，采用了文獻(xiàn)[7]中的幾何參數(shù)與邊界條件。將模型參數(shù)設(shè)置與文獻(xiàn)參數(shù)一致并確定網(wǎng)格數(shù)量后，驗(yàn)證結(jié)果如圖3 所示，模擬數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)具有良好的吻合性，由此保證了本研究中計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 燃料流速對電池性能的影響

在相同條件下，進(jìn)氣流速越大意味著流進(jìn)SOFC 流道中的燃料總量越大，這直接影響到電化學(xué)反應(yīng)。本研究模型參數(shù)條件下，不同燃料流速下SOFC 性能曲線如圖4(a)所示，不同燃料流速的性能曲線有著明顯差異，在v=0.8 m/s 時(shí)，相同工作電壓下SOFC 的平均電流密度明顯低于其它流速，而且在高電流密度區(qū)，SOFC 的濃差極化現(xiàn)象顯著。這主要是由于該流速條件下使得燃料在SOFC 流道中停留時(shí)間相對較長，導(dǎo)致多孔電極中的反應(yīng)氣體被消耗殆盡，由此氫氣的濃度梯度較大從而使得在高電流密度區(qū)造成較大極化損失。在此流速下，SOFC 的最大功率密度為0.273 W/cm2。

圖4 燃料流速對SOFC性能的影響

如圖4(b)所示，在該流速范圍下，隨燃料流速的梯級增加，電池功率密度的提升率明顯隨之降低。流速由0.8 m/s 增加到1.8 m/s 時(shí)，陽極平均過電位變化幅度明顯，而2.8 m/s 增加到4.8 m/s 時(shí)其變化較為緩和，其主要原因是在較低流速下，電極層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所消耗的氫氣未得到及時(shí)補(bǔ)充，致使?jié)獠顦O化損失較大。

圖5 顯示了該工作電壓下不同燃料流速變化時(shí)電池陽極與電解質(zhì)交界處電流密度分布。不同燃料流速下的電流密度分布受燃料流速影響較大，流速較低時(shí)，電流密度主要集中在SOFC 進(jìn)口區(qū)域，且電流密度梯度較大，整體分布不均勻，而隨著流速的增加，電流密度分布整體向右偏移。這主要是由于隨著流速增加，使得氫氣在沿流道方向的流動(dòng)阻力減小，使得氫氣濃度梯度隨之下降，進(jìn)而保證了向多孔電極中氫氣分布的均勻性。

圖5 不同燃料流速下的電流密度分布

2.2 燃料流速對組分傳遞的影響

圖6 為在0.55 V 的工作電壓下，陽極流道中的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨燃料流速的變化趨勢。當(dāng)流速高于2.8 m/s 時(shí)，沿進(jìn)氣方向氫氣濃度梯度較小，這主要是由于燃料流速的增加使得流道中氫氣總量升高，且氫氣在流道中還沒充分向多孔電極擴(kuò)散就被帶到SOFC 出口端。在較低流速下，增加了氫氣在流道中的停滯時(shí)間，擴(kuò)散至電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域不斷被消耗，因此氫氣的濃度梯度較大。

圖6 沿燃料進(jìn)氣方向氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨流速變化

圖7 為不同工作電壓下燃料流速對SOFC 燃料利用率的影響。當(dāng)SOFC 在不同工作電壓運(yùn)行時(shí)，其燃料利用率受流速影響較大，表現(xiàn)為較低流速下燃料利用率相對較高。較高流速下，燃料利用率變化差異不大，這一結(jié)果與流速對SOFC性能的影響規(guī)律相一致。結(jié)合SOFC 模型的極化曲線，當(dāng)SOFC 處于低電流密度區(qū)，SOFC 的極化損失以活化極化為主，當(dāng)處于高電流密度區(qū)時(shí)，SOFC 受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)影響，極化損失以濃差極化為主，這就意味著低流速下消耗了更多的氫氣。

圖7 不同工作電壓下流速對SOFC燃料利用率的影響

2.3 燃料流速對電池溫度的影響

燃料流速的增加會(huì)導(dǎo)致更多氫氣參與電化學(xué)反應(yīng)釋放熱量，而電池產(chǎn)生的熱量部分又被流道中的氣體帶出，因此SOFC 溫度分布受兩者因素的綜合影響。圖8 為V=0.55 V 時(shí)進(jìn)氣燃料在順流與逆流情況下多孔電極與電解質(zhì)界面處的溫度分布。在反應(yīng)氣體以順流方式進(jìn)氣時(shí)，總體趨勢為沿電池長度方向電池的最高溫度出現(xiàn)在流道出口端，但在v=0.8 m/s 時(shí)電池界面的最高溫度在電池中間位置附近。

圖8 不同流速下陽極與電解質(zhì)交界處溫度變化趨勢

在低流速下電池內(nèi)部氫氣的濃度梯度較大，靠近進(jìn)氣端的氫氣濃度較高，導(dǎo)致電池上游電化學(xué)反應(yīng)相對下游劇烈，釋放更多的電化學(xué)熱，加之低燃料流速在流道所產(chǎn)生的氣流不足以將其熱量完全帶到出氣端，因此導(dǎo)致電池的大部分熱量集中在電池中部。同理，逆流情況下電池界面的最高溫度均出現(xiàn)在電池中部位置，且表現(xiàn)為隨燃料流速的增加，其最高溫度越靠近出氣端。其它流速下電池界面溫度規(guī)律表現(xiàn)為：不論是順流還是逆流情況下，電池界面的整體溫差隨燃料流速的增加而升高。

圖9 為順流情況下，不同燃料速度下電池中間位置截面處的溫度場分布，其中溫度分布圖上半?yún)^(qū)域?yàn)殛帢O側(cè)。當(dāng)流速從0.8 m/s 升高到1.8 m/s 時(shí)，電池中間X-Y界面整體溫度略有提升，這主要是由于電池反應(yīng)未達(dá)到飽和狀態(tài)，流速的提高增加了SOFC 氫氣的反應(yīng)量，由此釋放出更多的熱量。隨著流速進(jìn)一步增大，界面溫差變化不大，但其溫度極值隨之降低，這主要是由于電極層產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的形式傳遞到流道，而流道中的流動(dòng)氣體以熱對流形式將其沿流動(dòng)方向帶出SOFC。

圖9 Z=25 mm截面處的溫度場分布

3 結(jié)論

本研究通過建立SOFC 三維多物理場耦合模型，分析了陽極燃料流速對SOFC 電池性能、組分傳遞以及溫度分布的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)SOFC 以較低燃料流速(v=0.8 m/s)運(yùn)行時(shí)，在高電流密度區(qū)的極化損失較大，隨著流速增加，SOFC 電流密度分布更加均勻且功率密度不斷提高，但其提升率逐漸降低。

(2)沿電池長度方向，流速增加導(dǎo)致電池中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)分布愈加均勻，其表現(xiàn)規(guī)律與電流密度分布相一致；在不同工作電壓下，燃料利用率隨燃料流速的增加表現(xiàn)出不同程度的下降。

(3)v=0.8 m/s 時(shí)，順流情況下電池界面的最高溫度出現(xiàn)在電池中部位置；逆流情況下，隨燃料流速增加，電池界面的最高溫度位置越靠近出氣端。且兩種情況下沿Z方向電池界面整體溫差隨流速的增加而升高，電池中間X-Y界面溫差變化不大，但高于1.8 m/s 時(shí)界面溫度極值隨流速增加而降低。

綜上所述，在SOFC 實(shí)際運(yùn)行過程中，需合理控制燃料流速，在保證SOFC 輸出性能的同時(shí)，也要考慮其安全性以及燃料的經(jīng)濟(jì)性，以提高SOFC 的綜合性能。