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十单元平面固体氧化物燃料电堆管道几何优化
陈代芬，曾启思，苏世川，毕无锡，任志强。
江苏科技大学，能源与动力工程学院，江苏镇江212003
中国石油管道研发中心，河北省廊坊市金光路51号
摘要：与传统方法相比，其中数十个固体氧化物燃料电池(SOFC)单元连接在大型电堆中以支持高电源，具有大约10-30个电池的平面模块化短SOFC堆(p-MSSS)被认为对于建立高电源SOFC堆是有利的。由于优化的p-MSSS对于实现整个电堆的高性能至关重要，为了进一步为实际应用提供优化结果，本文重点研究了具有对流分布模式的特定10单元p-MSSS的流形。具体而言，其目标是在重复燃料电堆单元之间实现高质量的流量分配。对燃料和空气流动路径的不同流形布置组合以及不同的进/出口流形位置和半径进行了优化，并给出了相应的结论。
关键词:
先进能源技术，固体氧化物燃料电堆，模块化的短堆，对流，流均匀性优化，歧管结构
1. 介绍
平面固体氧化物燃料电池(planar solid oxide fuel cell, SOFC)是最有前途的发电设备之一，具有燃料的柔韧性、致密性、高体积和重量功率密度等优点。图1a为典型的平面SOFC堆叠结构，呈对流分布。SOFC堆由多个重复燃料电池单元组成，一般可分为三部分:(i)每个重复电池单元的膜电极组件(MEA)，通常包括复合阳极、致密电解质和复合阴极;(ii)连接肋和通道，它们由钢板两侧的许多平行通道组成;以及(iii)进气和出气歧管，它们将燃料和空气分配到每个重复电池单元中。
由于平面SOFC电堆内的燃料电池单元是串联的，因此认为接收最小气体流量的单个电池单元在整体电堆性能中起着重要作用。此外,高净压降在整个电堆将增加所需的寄生功率驱动泵或压缩机。因此,实现高流量分布均匀堆中重复单元整体较低压力偏差之间的进口和出口阀组的许多挑战与发展中这种类型的固体氧化物燃料电堆,因为这要求达到高电堆的整体性能至关重要。在过去的几十年中，利用实验手段、分析方法和计算流体动力学(CFD)方法提出并发展了许多典型的燃料电池堆结构设计。Boersma和Sammes将SOFC堆叠中的流体表示为一个液压阻力网络。Kee等采用了每个单元内层流的二维模型，以及层流进/出口流形中的质量和动量守恒方程。Huang等研究了不同流量分布器对流量均匀性和电池性能的影响。Koh等研究了不同来源压力损失的影响，提出了一种基于100个单元的二维模型求解堆叠压力和流量分布的算法。
Outlet manifold —— 排气歧管
Channel group —— 流道
Inlet manifold —— 进气歧管
Exhaust header —— 排气口
Feeding header —— 进气口
图1所示，(a)具有逆流分布格局的典型平面SOFC叠加结构;(b) 2进3出的进/出口歧管布置构型的三维气体流动路径模型;(c)每个重复单元内的肋通道的说明。
表1
典型SOFC栈组件的几何参数。
Channel size —— 通道大小
Rib size —— 肋板大小
Feed header —— 进气口
Exhaust header —— 排气总管
MEA area —— MEA面积
Height of a individual cell layer —— 单个电池单元高度
在早期的研究中，对燃料电池电堆分布的优化大多是基于单电池堆或大的多电池堆模型，即在一个大的燃料电池堆中连接十多个单电池单元，以支持高功率输出。然而，这些类型的电堆可能会有一个严重的缺点:它们很难修复，并且在大型电堆中的任何单个单元出现故障后，要保持稳定的输出功率也很困难。与传统方法相比，由10-30个单元组成的平面模块化短SOFC电堆(p-MSSS)被认为是建立高电源SOFC电堆的非常有利的方法。这种优势的部分原因可能是:
(i)通过串联或并联多个p-MSSSs，可以方便地获得一个大的电堆
(ii)只需简单地更换故障的p-MSSS，而不是将大的堆切割成新的电堆，即可容易地修复电源系统;(3) p-MSSS可以通过合理的功率输出和单元号进行标准化。在这种情况下，辅助系统，如燃料/空气，热力，电气控制系统，也可以独立开发和优化。基于对SOFC电源系统标准制定的意见，对该类系统进行优化，使大型电源SOFC电堆的性能最大化是十分必要的。该研究为实际应用提供了基于CFD计算的结果，以优化具有逆流分布模式的特定10单元p-MSSS流形。优化过程包括特别注意影响流动分布均匀性的几何因素，包括以下几点:
(i)比较对流分布模式的所有备选流形布置构型，找出最优配置，
(ii)确定优化流量分布的流形位置
(iii)得到10单元p-MSSS的优化流形半径。
2. 理论
2.1.气体在10单元p-MSSS内的流动分布
如图1a所示，在Juliich报道的大型平面SOFC电堆结构设计的基础上，开发出面积为10cm *10.7 cm的10单元平面模块化短SOFC电堆(p-MSSS)，并形成对流分布格局。对于这个p-MSSS，有五个进出口流形排列在连接板的两侧。红色箭头1和蓝色箭头分别表示燃料和空气流动的方向。
例如，如果将燃料流方向分配给红色箭头(标记为lsquo;gas1rsquo;)，则相应的燃料流歧管配置为2进3出(图1a);在这里，“2进3出”表示在一侧放置两个平行的进气歧管，在另一侧放置三个平行的出口歧管，以给出燃料流动路径。同样，图1a中的气流歧管构型为2进3出，流动方向用蓝色箭头表示，蓝色箭头标记为“gas2”。如果采用2进3出燃料流进/出口流形配置，10单元p-MSSS内的燃料流场如图1b所示，其几何参数如表1所示。如图1b所示，p-MSSS内部的整个燃料流路径由多个堆积重复单元气路组成，主要分为三个部分:
(i)进气歧管燃油流量:如图1b所示，两个平行的燃油进气歧管将燃油流量分配到每个重复单元，并将多余的燃油输送到下一个单元。
(ii)各重复单元内的通道燃料流:如图1 c所示，可以将各单元内的通道燃料流进一步分为进料总管、肋排气道、排气总管三部分。由两个平行进气歧管推动的诱导燃料流首先在进气总管处收集，然后再重新分布到每个肋状气路中。大部分燃料流在通过多边环境协定时可能被消耗。最后，排气流量将收集在排气总管，并通过排气歧管输送出去。
(iii)三个平行出口流形:由于p-MSSS内的燃料电池单元串联，每个电池单元消耗相同的燃料和氧气，产生相同的总电流。因此，接收最小气体流量的单个单元将在p-MSSS的整体性能中发挥重要作用。在一般实际应用中，采用堆叠流均匀度指数来表征堆叠重复单元间的质量流分布。
(1)
其中为第i个单元接收到的标准质量流量。该质量流量可由下式得到:
（2）
其中为第i个单元所接收到的质量流量。
层叠流均匀度指标是表征层叠重复单元间流场分布质量的一个重要因素。堆体结构优化设计的目标是实现高U值，同时在进气歧管和出口之间具有良好的低压偏差。
2.2.可选择的进气/出气歧管布置配置组合的逆流分布模式
如图1a所示，燃料和气流歧管布置均为2进3出。燃料和空气有助于电堆的对流分布模式。这种特殊的10单元p-MSSS的结构特征可以支持多种类型的反流分布模式的歧管布置组合。在互连板两侧对齐5个进/出口歧管，流形布置可采用四种方式组合(图1和图2)。
类型1:燃料和空气流通歧管布置都是2进3出。在这种情况下，燃料(或空气)流动路径模型如图1b所示，右侧为两个平行进口流道，左侧为三个平行出口流道
类型2:空气和燃料流歧管布置都是3进2出。相应的燃料(或空气)气体流动路径模型如图1b所示，左侧为三个进口流道，右侧为两个出口流道。
类型3:燃料流歧管布置为3进3出与2进2出空气流歧管布置相结合。在这种情况下，空气-气体流动路径模型如图2b所示，一侧为两个入口流道，另一侧为两个出口流道。图2c为燃料流动路径模型，三个入口流形和三个出口流形布置在相对的两侧。
类型4:燃料流歧管布置为2进2出与3进3出空气流歧管布置相结合。燃料和空气流动路径的相关气体模型如图2b和c所示。
如图2所示为(a)用于对流分布型式的其他类型的歧管布置配置组合;(b) 2进2出歧管布置构型的三维气体流动路径模型;和(c)三维气体流动路径模型的3进3出流形布置配置。
2.3。三维气体流动模型CFD计算
本文的计算流体动力学(CFD)计算基于等温SOFC堆，不考虑任何电化学反应。一般来说，这个假设是可以接受的。由于电堆中的重复单体单元是串联堆叠的(图1a)，因此每个燃料电池单元必须产生相同数量的电流。在这种情况下，任何相关的化学反应都会在所有的重复单元中发生，在这种假设下得到的均匀流动分布应该与实际中的均匀分布相对应。p-MSSS内的气体输运过程可以简单地用质量连续性和动量守恒方程来描述:
▽ (3)
▽▽▽ (4)
其中为速度矢量，为压力，为应力张量，为气体流量(空气或燃料)密度。该密度可用理想气体状态方程估计:
(5)
其中R为通用气体常数，T为工作温度(本研究为1073 K)， 为混合物的摩尔质量。
这个摩尔质量可以用来计算,其中和分别是物质的摩尔分数和摩尔质量。燃料(或空气)流混合料粘度可由下式计算:
(6)
其中为混合物的流动种类数，为a种类的粘度。这种粘度由萨瑟兰定律描述:
(7)
其中的参数由萨瑟兰定律给出（），是前因子（）
是无因次项，由下面公式给出：
(8)
采用这些方程，在1073K时空气和燃料的粘度分别是，
。
模型采用三种边界条件:
(i)空气和燃料流的净质量流速加在歧管入口。它们可以用下列式子估算:
和 (9)
其中是电池堆积重复单位的数量,是在整个MEA输出电流的密度, A是每个MEA的面积,是空气利用率,是空气中的氧气摩尔分数, 为进气道流形总横截面积，F为法拉第常数。
(ii)歧管出口的边界条件设为参考压力(0 Pa)。
(iii)所有其他壁面均作为标量壁面函数处理，不发生位移。
表2
计算CFD的相关参数。
Average current density —— 平均电流密度
Air utilization —— 空气利用率
Fuel utilization —— 燃料利用率
Oxygen mole fraction —— 氧的摩尔分数
Hydrogen mole fraction —— 氢的摩尔分数
Density of air at 1073 K —— 1073K时的空气密度
Density of fuel at 1073 K —— 1073K时的燃料密度
Molecular weight of air —— 空气分子量
Molecular weight of fuel —— 燃料分子量
Air viscosity at 1073 K —— 1073K时的空气粘度
Fuel viscosity at 1073 K —— 1073K时的燃料粘度
CFD计算中使用的相关参数如表2所示。CFD计算采用商业软件FLUENT。绝对收敛准则设为。入口流形雷诺数由给出用以估计流量类型。其中表示层流表示湍流。对于重复的单元，用相同的网格对堆栈流场进行网格划分。如图3所示，为了准确地描述流场，采用更精细的网格来描绘分合节点周围的流场。经过717,392个六面体元素组成的精细网格加载GAMBIT，通过几次计算验证了其足够精确。数值模型的相关最小网格体积和最大网格体积分别为和。
3.结果与讨论
3.1。优化歧管位置
根据表1和表2中的结构参数，图4示出了用于入口和出口歧管半径的2进3出歧管布置中的空气气流的静压分布。由于两个平行进口流形进口处流速较高，出口流形内的气流受沿流动方向的压降驱动，而进口流形内的压力分布沿气流方向增大。这一过程允许部分动态气流压力在p-MSSS顶部转化为静压。在这种情况下，通过优化进气歧管和出口歧管的几何形状，可以在每个重复单元上获得类似的压降。这种优化反过来可能导致一个统一的空气/燃料分配之间的重复单元。
资料编号：[4592]
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