平板型固体氧化物燃料电池的流场设计及优化概述摘要：固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCells,SOFCs)具有燃料适用性广、余热利用价值高、能量转化效率高的优点，成为当下能量转化技术的研究热点但是，在商业化之前，SOFCs仍然存在着一些亟待改善的问题，其中，稳定性和工作寿命便是最关键的问题因为流场与温度场、电场相互耦合，不均匀的流场极易导致电池部分热失控，产生热应力，对电池产生不可逆损坏，影响SOFCs系统寿命，所以改善流场设计、保证流动均匀性是提高稳定性和寿命的关键对平板型SOFCs的流场设计及优化进行了概述 关键词：固体氧化物燃料电池;流场设计;优化开展 引言 传统能源的耗费导致环境爱护面临的压力增大，绿色、高效的能源技术越来越受到人们的关注其中，全固态结构的固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为能量转换效率最高的一种发电技术，成为焦点之一[1]其较高的工作温度使得利用电池内部产生的热能对燃料气进行重整成为可能，且其燃料种类选择较为广泛(如氢气、天然气、沼气等等)[2–3]因此，SOFCs作为分布式电源具有广泛前景 目前，SOFCs在少局部兴旺国家得到了良好的开展，并且实现了产业化。
自20世纪90年代初以来，Jülich研究中心的SOFCs研究团队一直致力于SOFCs材料和电池堆栈的开发目前开发了铁素体铬钢阳极撑持电池并已成功上市，其功率密度在0.7V和700°C的工作条件下超过2Wꞏcm−2[4]美国FY2022-21SOFCs工程组(Fiscalyear2022-21solidoxidefuelcellsprogram)最近完成了FuelCellEnergy(FCE)200kWSOFCs原型现场测试，随后，200kW系统被成功安装在宾夕法尼亚州匹兹堡的NRG能源中心并成功运行 3500h[5] 瑞士的Hexis公司正在商业化下一代的热电联产技术(CombinedHeatandPower,CHP)系统，新一代的电池片依旧采用的圆形板式电解质撑持结构，输出功率可到达1.5kW，交流发电效率到达40%，并且对5单元短堆经过50次氧化循环、10次热循环后进行23000h稳态测试，电压衰减率为0.3%/1000h[6]我国的SOFCs技术现状与兴旺国家相比还有一定的差距，目前还停留在样机开发阶段，距离SOFCs的产业化尚有一段距离产业化的核心因素是本钱和寿命，且两者之间相互关联。
我国的稀土资源丰盛，SOFCs的原料本钱具有一定优势，因此，提高运行寿命是降低发电本钱的关键电堆的流场会影响电场与温度场，假设流场分布不均那么会导致电场分布不同，反馈放热使得部分温度升高，温度越高的区域反馈越快，放热越多，从而导致部分温度失控，进而产生热应力，破坏电池的结构因此，流场的分布是影响SOFCs体系寿命的重要因素SOFCs单电池单元的根本结构包括单电池和与之相连的连接体 空气与燃料分别从阴极侧与阳极侧相邻的连接体的导气槽中通过并参与反馈良好的连接体设计可以减小气路压降，有效提高SOFCs内部流场的气体扩散程度及分布均匀性[7]在设计连接体结构时主要考虑三个因素：一是有利于气体传输，降低浓差极化;二是使电流路径尽可能短，减小欧姆极化;三是使气体分布均匀，降低部分热失控的可能性[8]研究者们针对连接体结构也进行了相应的研究，早期研究主要集中于连接体外表性能的改进与材料的合理选取方面[9–10]，作为对流场的传热传质、复杂流动有着直接影响的要素，连接体结构方面的研究显得比拟欠缺 因此，针对连接体结构尤其是连接体肋形结构的优化成为近些年来研究者们关注的焦点本文从SOFCs流场设计的开展过程和不同SOFCs流场形式的优化设计入手，概述了SOFCs流场设计的常见几何结构、流动结构和进气排气方向以及气道布置方式，介绍了研究者们针对流场各个组成局部(流道、连接体和歧管)进行的流场优化工作，同时简述了流道仿真模拟数值模型的优化进程。
总结了现有的一些典型研究成果的同时指出其缺乏，为后续的SOFCs流场优化设计提供参考 1SOFCs流场设计的要素 由于SOFCs为全固态结构，故可以灵活地制作形成各种构型根据结构设计的差别性，可将SOFCs分为平板式设计和管式设计，以及瓦楞型(Mono-blockLayerBuilttype,MOLB-type)设计[12] 目前，商业化较为成熟的主要是平板型SOFCs[13]平板型SOFCs具有下列特点：体积功率密度高，几何形状简单，制备工艺简单，本钱较低，电流路径短，气流传输形式灵活，可采用同向流、对流、交叉流等形式;但也存在密封比拟困难和抗热循环能力差的缺点[14]目前，平板型SOFCs电堆气道的设计主要关注下列几个方面：电堆流场的整体几何构型、流动结构、进气排气方向、气道的布置方式和几何要素、电堆的纵向物理场分布 1.1流场的整体几何构型 1.1.1平行流场 平行流场作为SOFCs常见的流场形式，通常是电池单元内部由假设干个平行排列的直通气体流道构成，具有流场结构简单，易于制造的特点相较于其他形式的流场，单个电池单元内平行流场气体通道数目较多，因而气体流速较低，气体通道内部压强较小。
2022年，Jang等[15]对平行流场、Z形流场和蛇形流场等常规流场进行了研究 计算得到的极化曲线与实验数据相差不大，表明模型具备较好的准确性根据计算流体力学(ComputerFluidDynamics,CFD)工具的计算结果可知，当流场入口气体氧气含量为0.2时，平行流场、Z形流场和蛇形流场的气路出口质量分数分别为0.1457、0.1378和0.1225由此看出，在这三种几何构型中，平行流场内部电化学反馈耗费氧气量最少相较其他形式的常规流场，平行流场的性能最差当工作电压为0.3V时，与Z形流场和蛇形流场相比，平行流场的电场分布更加均匀同时，由于平行流场流道长度相对最短，流场设计中没有转折点，所以平行流场内部压力分布更为均匀，入口出口之间压降也较小另外，平行流场内部气流分布均匀性也相对较好，电池寿命那么更长 1.1.2Z形流场 2022年，Maharudrayya等[16]开发了计算多个Z形流场配置中压降和流量分布的算法，并通过与全三维CFD模拟结果的比拟，验证了相关结论通过增加串联的单Z型配置的数量，可以改善流量分布指数结果显示，单Z型配置具有最不均匀的流量分布，流量非均匀指数为0.48。
2-Z、4-Z和5-Z型配置流量非均匀指数分别为0.25、0.15、0.12实验数据说明，流量分布的改善是以显著压降为代价的，5-Z配置下的压降842.71Pa是单Z配置下的压降73.75Pa的10倍以上 2022年，Jiang等[17]采用一个完整的热电-化学-机械耦合三维理论模型，研究了阴极撑持SOFCs中具有Z形和蛇形通道的双极板的电池性能和热应力分布，模型的正确性得到了实验结果的验证CFD计算结果说明，在低电流密度下Z形平行流道SOFCs具有较高的输出功率，在高电流密度下三并联蛇形流道SOFCs输出功率更高 对于Z形平行气体通道，中间平行通道中的空气速度小于入口和出口附近的空气速度，电化学反馈耗费的氧气不能立即由流场内部对流流动引起的气体交换来提供，因而流场内部形成了低氧摩尔浓度区域对于三并联蛇形通道，中间的平行通道局部气流速度相对流场进出口没有明显的降低，阴极中氧的摩尔分数分布均匀，没有明显的低氧摩尔分数区域电解质中的电流密度也受到阴极中反馈气体浓度即氧浓度的影响，因而三并联蛇形流场也具有更加均匀的电流密度分布 1.1.3蛇形流场 2022年，Chang等[18]对不同深度的三通道蛇形(SerpentineFlowField,SFF)和平行蛇形流场(Parallel-SerpentineFlowField,PSFF)进行了实验分析，实验采用了凹模微电火花技术制作了SUS316L双极板，比拟了固定电压下不同流道深度时(300μm、400μm、600μm)不同蛇形流道内部气体流速分布。
结果说明，深度较浅的流道内虽然气体平均流速较高，但也在流速分布上表现出高度的不均匀性同时，流道深度为600μm的电池单元虽然平均流速较低，电池单元的质量传输性能有所缺乏，但较深的流道提高了流道横截面积，并且流道内部产生旋流使得电化学反馈进行得更加充沛，流场内温度及热应力分布均匀这也使得流道深度较深的电池单元在工作寿命以及整体性能上更具优势 2022年，Saied等[19]建立了平面阳极撑持的SOFCs在三种不同流场设计下的三维数学模型，三种流场设计的区别主要体现在流场入口数上，分别为单入口蛇形流场、两并联蛇形流场和三并联蛇形流场，并且研究者们将模拟结果与现有实验结果进行了比拟，验证了模型的准确性[20] CFD计算结果说明，对于单入口蛇形流场SOFCs，由于燃料耗费的提前，在阴极侧出口处都会出现回流为此，需要增参加口的数量，以增加质量流量入口研究结果显示，三并联蛇形流场较两并联蛇形流场性能更好，这说明多入口单元比单入口设计的单元能够更有效地降低极化损耗从电场表现来看，与主沟道相比，偏转沟道处的电流密度更高，并且三蛇形流场具备更高的最大电流密度，所以三并联蛇形流场电池输出性能更好 综上所述，这三种传统流场设计的主要区别在于流道数流道长度以及转角数目的不同。
故可以推断在常规流场中增加拐角数、增加流道长度、减小流道数，可以有效降低传质损失，提高极限电流密度，从而提高电池性能，但是也会使得流道内各物理场分布均匀性下降增加蛇形流场入口的数目可以减少回流现象，减少极化损耗另外，由于流道长度较长、拐角数较大，三种常规流场中蛇形流场的进出口压差最大，压降的增加意味着气体供给所需的能耗更大因此，对于Z形流场和蛇形流场，气体供应的能耗较大这也限制了这两种流场形式在SOFCs中的运用 1.2流场的流动结构 平板式SOFCs根据气体气流方向的不同，主要分为对流、同向流和交叉流三种类型对流型SOFCs阴阳极的气体流向相反，同向流型SOFCs阴阳极的气体流向相同，交叉流型SOFCs阴阳极的气体流向相互垂直2022年，Recknagle等[22]结合CFD模拟和电化学计算的办法建立了三维平面SOFCs的模型，该模型PEN(Positive-Electrolyte-Negative)结构厚度为760mm，反馈活性面积为116.6cm2，并进一步研究了电池流动结构(交叉流、同向流和对流流动结构)对温度、电流密度和燃料分布的影响 当工作电压为0.7V时，三种流动结构的燃料利用率都为60%～70%，且交叉流情况下PEN板的温差为269℃，同流温差为184℃，对流温差为267℃。
这说明在燃料利用率和电池平均温度相同的情况下，同流情况下的温度分布最均匀，温度梯度最小，使得电池内部不会产生过大的热应力，有利于保证堆芯组件的结构完整性，延长电池寿命2022年，Colpan等[23]建立了一个固体氧化物燃料电池湿化氢瞬态传热模型该模型包含了所有的极化和传热机制，且耦合了电化学的关系式与传热方程，对同向流和逆流SOFCs的瞬态行为进行了模拟结果说明，当系统到达稳态时，对流式SOFCs具有较高的燃料利用率、平均电流密度、功率密度和电效率，但对流式SOFCs到达稳定状态所需的时间稍长 2022年，Xu等[24]利用有限元办法建立了一个研究SOFCs热应力的综合模型，该模型的准确性得到了实验结果的验证对于一个受压物体，沿其轴线方向使该物体有压缩趋势的应力为压应力，。