1.3.2　电堆大尺度多场耦合模拟

由于SOFC电堆全固体部件的特点决定了其结构设计可以非常灵活,包括管式、平板形、瓦楞形、基片型等多种形貌[13]。以平板型SOFC电堆设计为例:其中并/对流型SOFC电堆分别出现了图1.16(a₁)空气1进1出⁃燃料1进1出U形主管道线形rib(肋)流道并/对流型平板型设计[14];图1.16(a₂)对其流体头部三角形改动的设计[15];图1.16(a₃)空气2进2出⁃燃料1进1出线形rib流道设计[16];图1.16(a₄)针对主管道孔径尺寸差异变化的Z形主管道[17];图1.16(a₅)所示出口主管道数多于入口主管道数的空气1进2出⁃燃料1进2出波纹形rib流道对流型设计[13];图1.16(a₆)对主管道圆孔形到方孔形的变化[18];图1.16(a₇)空气2进3出⁃燃料2进3出U形主管道对流型设计[19]以及图1.16(a₈)空气/燃料1进2出T形rib流道对流型设计[20]等多种结构报道。类似的交叉流型SOFC电堆设计,也经历了图1.16(b₁)空气1进1出⁃燃料1进1出U形主管道线型rib流道交叉流型设计[21];增加其出/入口主管道数量的空气3进3出⁃燃料3进3出设计[图1.16(b₂)][22];图1.16(b₃)基于出口主管道面积>入口侧主管道面积结论得到的具有空气主管道开放特点的燃料1进2出U形主管道圆柱形rib流道设计[23];图1.16(b₄)的燃料1进1出线形rib流道设计[24]以及图1.16(b₅)、图1.16(b₆)空气1进口开放出口的斜入式设计[25,26]等多种结构报道。而除了上述的线形rib流道外,SOFC电堆单元电池表面的集流结构还出现了图1.16(c₁)的Z形[27];图1.16(c₂)的并型蛇形[28];图1.16(c₃)的离散圆柱形及其多种不同排列方式[29];图1.16(c₄)~(c₆)的波纹形[3]等多种不同rib流道形貌选择。此外,还有图1.16(d₁)的空气主管道开放特征的燃料1进1出蛇形主管道交叉流IP型设计[30];图1.16(d₂)的燃料1进1出Z形主管道Z形rib流道交叉流平板型设计[31];图1.16(d₃)与其对应的微型设计[32];图1.16(d₄)具有并流和交叉流综合特性并列蛇形主管道设计[33]等多种报道。此外,还存在管式、锥形、瓦片形等其他电堆形貌选择,以及每种形貌中不同的电池数规模和长宽比例,阴⁃阳极侧连接体形貌搭配,局部部件结构、主管位置及数量、尺寸等海量组合,这也给目标优化电堆的最终获取带来了困难。因此,以直观经验为指导,对海量的电堆对象进行试验研究,既不高效、不经济,也不现实。而发展不依赖于具体对象的电堆层面结构设计的一般性规律和工程优化路径,对后续开展电堆设计研究将具有重要作用。

图1.16　多种不同的平板型SOFC电堆结构方案报道[3]

电堆内部工作细节测量难且耗时:由于SOFC具有高工作温度(450~1000℃)及流道空间小的特点,因此在工作过程中很难通过实验对流动、浓度、温度、电流密度、电化学反应、局部漏气和应力分布进行实时监控和测量[34],无法细致了解电堆内部过载和低效区域演化,以及材料退化细节。目前,SOFC电堆层面的试验研究主要通过长时间监控整体性能退化,以及热循环后的部件和界面形貌,进而从侧面推测内部过载分布[35]。同时由于SOFC电堆实物制作具有昂贵、工序复杂、耗时、热循环易损坏等特点,一方面单纯靠经验尝试既不经济也不现实;另一方面,想通过实验尝试全面细致地探索各种结构参数和工况的作用也相当困难。从根本上讲,以直观经验引导的电堆尝试性试验方法不适合作为一种优化结构获取和内部演化过程认知的手段,而更适合作为某种成型设计方案的终试方法。

电堆层面理论分析现况:如前所述,SOFC纽扣电池是一个理想的工作环境,主要侧重材料电化学性质的评价;而电堆层面更侧重考虑多个物理场之间的内在相互影响和平衡,是一个多学科交叉耦合对象。与形形色色不断出现的SOFC电堆结构相比,近年来,SOFC电堆层面规律性理论的发展相对缓慢。R.J.Boersma等通过将电堆气道系统等价为阻力网格并利用自洽迭代方法尝试勾画出电堆流道流速对压强和气流分布的影响[36],但受当时计算资源、方法限制,分析过程使用了大量简化。H.Hirata等针对图1.16(a₁)结构建立了二维计算流体力学(CFD)模型,并考察电堆内部集流件rib流道高度对电堆内物质传输的影响[37],发现当流体流过进口主管道T形分支时压强会上升,而流经出口主管道T形分支时压强会下降[38]。R.J.Kee等采用Twopnt函数针对图1.16(c₁)电池单元内Z形rib流道进行CFD分析,并通过对流量分布的无量纲处理,实现不同工况下电堆的流动分配质量对比[27]。S.Maharudrayya等利用有限体积法针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)单元建立二维CFD模型研究不同雷诺数对蛇形流道90°转弯处流动状态和压力特征的影响[39],并使用解析方法尝试对比单电池蛇形、Z形、U形、双U形、U形嵌套形等rib流道内的流量和压强差分布特征[40]。F.Barreras等针对PEM电池单元内Z形rib流道的理论分析得出,流经出、入口两端rib流道的流量将远高于其他流道,在电池表面形成不均匀流动分布[41]。该结果后续通过平面激光诱导荧光手段(PLV)跟踪流体流动测得的试验结果证实。C.K.Lin尝试采用ABAQUS软件针对台湾核电中心的3电池对流型SOFC电堆的固体部分建立热⁃机械模型,分析固件应力应变分布对不同预设温度分布的响应关系[42],不足之处是未考虑电化学反应以及流动这两个关键因素对温度分布的影响。C.H.Chen等针对72层电池PEMFC电堆建立二维质量和动量耦合模型[43],得出采用大的主管道出/入口截面积、小的流体速度、大的rib气道阻力有利于提高电池层间的流动分布质量。C.M.Huang等通过详细分析四种不同的rib流道形貌得出,即使是rib气道的奇偶个数也将对流动分配结果产生较大影响[44]。W.Xia等采用Fluent软件针对图1.16(a₂)所示单电池层结构,建立三维流体⁃热⁃电耦合工程分析模型[3],得出该设计下对流型供气模式将比并流型得到更均匀的电流密度和温度分布质量。

我们分别针对图1.16(b₂)的40层电池交叉流型(2009年)和图1.16(a₇)的10层电池并/对流型(2013年)电堆流道建立的三维模型分析得出,主管道出/入口截面积比例是控制电池层间流体分配质量的重要因素之一,并从流动分布角度给出了并、对流型流体管理情况下的最佳主管道配置方案[3]。随后于2015年对图1.16(a₆)的阴极流道部分建立10电池三维动⁃热⁃质⁃电化学(简化)耦合模型,优化得出燃料一侧采用方形rib流道,空气一侧配合离散对称圆柱体rib流道形貌为较理想设计配对[45]。L.Blum等通过对图1.16(a₆)结构的固体部分建立三维模型分析了固体部分应力应变对各种不同预设温度分布的响应结果[46]。M.Peksen等于2011年进一步通过对36层电堆的热流⁃热机械耦合分析表明[47],流体主管内小的温度梯度也将产生较大的固体应变变化,加剧局部密封失效风险。我们在针对大量电堆中流动分配质量优化的过程中发现,即使是设计类似的SOFC电堆,也会因为不同结构参数产生差异很大的流动分布特性[48]。

综上所述,电堆内部某些关键结构参数,即使是微小的变化也将对电堆内部物理场分布特性和整体性能产生较大影响。相比于海量的电堆结构搭配选择而言,针对某一具体结构和尺度的电堆的模拟优化结果,当工况和结构参数改变时,其一般性应用和指导意义将受限。因此,在电堆层面开展独立于具体对象的结构对性能的一般性作用规律的研究具有重要意义。