阳极支撑中温固体氧化物燃料电池的数值模拟

罗 丹,王关晴,黄雪峰,徐江荣

(杭州电子科技大学应用数学与工程计算研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)属于高温燃料电池,即使是中温固体氧化物燃料电池(600～800℃)与其它类型燃料电池(PEMFC 80℃、AFC 80℃、PAFC 200℃)相比,工作温度还是要高很多,由于电池系统在高温、封闭、复杂的环境下运行,工作过程中存在多相、多维、多组分、水、热等对电化学的作用等问题,并且SOFC内所有的反应都发生在不规则的多孔区域,内部状态测量极为困难[1-4],为降低试验分析代价,提高其性能并确保SOFC电池系统安全、长期稳定运行,为系统设计提供理论依据,我们需要通过建立数学模型来分析电池内部的传质、传热和电化学反应过程,对SOFC的温度、材料、几何形状、尺寸、燃料、氧化剂及其相关性能开展研究,为电极结构和操作条件的优化、流场的选择提供理论指导。阳极支撑构型是平板式固体氧化物燃料电池实现中温化最理想的结构形式[5]。这种结构的SOFC可以看作是两层叠合而成：一层是阳极支撑体,占据主要厚度;另外一层是包括电解质和阴极在内的电解质与电极薄膜。在薄膜型固体氧化物燃料电池的结构设计中,阳极支撑代表着SOFC中温化的发展潮流和趋势[6,7]。故本文将以平板式阳极支撑中温固体氧化物燃料电池为研究对象,针对阳极负载构型的特点来进行数值模拟和计算。

1 模型与数学方程

1.1 模型假设

沿气体通道方向的各流道对于计算来说具有很强的重复性,为此选取其中的一个流道来进行计算和模拟,流动方式取逆流。气体流道的宽度和高度均取1mm;双极连接板厚度为2mm,计算时用到的其中一侧流道肋宽为半个连接板的厚度,1mm;阳极支撑体厚度为1mm;电解质薄膜的厚度为0.01mm;阴极厚度为0.1mm。

1.2 质量守恒方程

电池电化学反应中多组分混合气体的质量由质量连续性方程得出：

式中,ρi-物质i的密度;Ui-物质扩散速率;ωi-物质i的生成速率;ci-物质i的质量分数;Dim-物质的多组分扩散系数;ρ-多组分气体混合物的密度。

1.3 动量守恒方程

用Navier-Stokes方程来描述流道中的动量守恒：

式中,ρ-气体的密度;η-动力黏度;p-压强;T-温度。

1.4 能量守恒方程

燃料电池气相中的温度场和局部热流量可通过能量守恒方程来确定：

1.5 电化学反应特性方程

SOFC的电压平衡方程如下：

式中,Eeq-开路电压(平衡电动势);i-电流密度;iRi-欧姆压降。

2 结果与讨论

2.1 压力分布

在燃料电池设计中,良好的流道设计有助于反应气体的充足供应和生成气体的尽快排出,同时还可以减少材料消耗、缩小整个燃料电池的体积。决定流道设计的重要参数是流体流动的特性(包括压力、速度等)。SOFC中气体流道的压力分布如图1所示。从图1中可以看出,在燃料通道或是氧化剂通道,压力的衰减大致呈相同的趋势和梯度,入口处氢气和氧气的浓度值较高,压力较大,随着反应的进行,浓度降低、气体流速变缓,压力也逐次减小。

图1 气体通道中压力分布计算值

2.2 速度分布

流道中沿气体流动方向计算出的燃料氢气和空气速度分布如图2所示。从图2中可看出,在流道的中心位置,速度值很高,随着向两边接近连接板或极板的方向延伸,速度值明显递减。除中心区域外,在流道稍偏下的位置,还有一个速度峰值,这是因为那一侧紧靠电极扩散层,电极的多孔疏松结构使得气体的扩散和传输受到较少阻滞,再加上催化层的化学反应会消耗大量气体,导致速度的增加。相反靠近双极连接板的一侧就不会有此情况出现。

图2 气体通道中速度分布计算值

2.3 组分浓度分布

阳极催化层与燃料通道中生成物H2O和反应物H2的分布情况如图3、4所示,图3中下部建模区域的底部边界矩形区域代表电极活性催化层,上部的长方体为气体流道。反应气为氢气与水蒸汽的混合气,其质量比为4：1。由图4可知,沿流动方向随氢气浓度的降低、流道和电极扩散层中水的质量分数增加很快,在出口处附近数值已接近最大值0.397,这说明在阳极/电解质界面发生的电化学反应已基本进行完全;在流道的前半段,H2O的质量分数增幅较为明显,这是由于开始时反应物氢气的摩尔浓度较大,根据反应动力学原理,反应速度较快、生成产物H2O的浓度沿流动方向提升较高,而H2浓度的变化趋势恰恰相反。

图3 燃料通道与阳极催化活性层中水浓度分布计算值

阴极和空气通道中的氧气的浓度分布如图5所示,气体流动方式为逆流,与氢气相反,右侧下端为气体进口,左方上端为出口,所通氧化剂为空气。由图5可见,随着反应的进行,氧气不断消耗,浓度呈逐渐下降趋势,阴极催化活性层中,处于气体流道正下方的部分氧浓度明显高于其它区域,并且沿流动方向逐渐降低,在入口附近的前半段,沿整个宽度方向电极层中都有比较高的氧浓度值,这是因为在入口段温度较高,气体能够在多孔电极层更好扩散,电化学反应快,周围的氧气都汇聚起来,导致在整个建模区域这个部分的氧气浓度值最高。

图4 燃料通道与阳极催化活性层中氢气浓度分布计算值

图5 空气通道与阴极中氧气的浓度分布

2.4 电流密度分布

在SOFC的电极设计中,能够保证电极催化活性层最大限度的发挥效用是至关重要的。电极催化活性层的利用程度可通过电流密度分布表现出来,在整个阳极催化活性层中的电流密度分布如图6所示;阳极催化活性层剖面的电流密度计算值如图7所示。由图7可见,电极层中处于气体流道正下方的区域电流密度明显高于其它部分;电极活性层在气体流道入口处的正下方中心处有着最大的电流密度值,最小的电流密度位于燃料气出口附近。整个催化活性层的电流密度分布不均衡,这是由于H2在阳极催化活性层中的浓度差异过大所引起的,可以相应增加阳极扩散层的厚度,以减少反应物的浓度梯度,获得更好的电极性能。

图6 整个阳极催化活性层中电流密度的分布

图7 阳极催化活性层剖面电流密度的分布

3 结束语

本文通过耦合质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和多组分气相扩散的Stefan-Maxwell方程以及包括Butler-Vonlmer方程在内的诸多电化学反应特性方程,建立了适用于平板型阳极负载中温固体氧化物燃料电池的三维数学模型,通过数值模拟其结果表明：(1)SOFC的性能会随着工作压力的升高而增加。压力越大,电池性能越好。随着压力的升高,在电极催化层上发生的电化学反应速率加快,相同电流密度下,由活化极化和浓差极化引起的过电势大大降低,可逆电动势提高;(2)随温度的增加,电池的开路电压下降,输出电压升高,电池整体性能呈上升趋势。其它条件相同时,600℃的工作电压最低,并且随电流的增加,其下降率要比700和800℃时更大;(3)在一定范围内,随着氢气浓度的不断增加,燃料电池的性能越来越好。氢气浓度的增加,有助于降低电池的浓度过电势,增加电池的有效工作电压,获得更理想的电池性能。

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