湯水，張茂貴，賈明，劉宇

(中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

近年來(lái)，我國(guó)資源與安全環(huán)境問(wèn)題的矛盾日益凸顯。在電動(dòng)汽車大力發(fā)展的推動(dòng)下，燃料電池作為一項(xiàng)清潔高效的尖端技術(shù)成為人們研究的焦點(diǎn)。燃料電池是繼火電、水電和核電后的第四代發(fā)電方式[1]，發(fā)電不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)40%～60%，可直接將燃料與氧化劑中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。以氫氧燃料電池為例[2]，在電池陽(yáng)極側(cè)通入氫氣，在電池陰極側(cè)通入氧氣，在陰極和陽(yáng)極的電催化劑的幫助下，氧氣在陰極反應(yīng)區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)生成水，氫氣在陽(yáng)極反應(yīng)區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)生成氫離子和電子，通過(guò)電解質(zhì)傳導(dǎo)離子及電子沿外電路定向移動(dòng)形成回路，從而形成電流帶動(dòng)負(fù)載工作。固體氧化物燃料電池SOFC(solid oxide fuel cell)[3]具有諸多優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)和應(yīng)用大規(guī)模的SOFC發(fā)電裝置系統(tǒng)能有效緩解目前人類面臨的能源問(wèn)題。然而，固體氧化物燃料電池工作溫度高，結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，工作環(huán)境封閉且復(fù)雜，通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得其內(nèi)部狀態(tài)變化情況和具體位置參數(shù)往往極為困難且耗費(fèi)大量財(cái)力和物力。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，搭建固體氧化物燃料電池的數(shù)學(xué)模型、使用計(jì)算機(jī)數(shù)值分析求解來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)成為可能。 CFD(computational fluid dynamics)方法是分析燃料電池性能的一種重要方法[4?6]，它使用數(shù)值方法將描述特定流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的方程組離散到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上并求出其離散數(shù)值解，主要有有限差分法、有限元法、有限容積法等。WEI等[7]提出了基于流量通道設(shè)計(jì)對(duì)堆疊性能影響的數(shù)值研究、流路和堆疊布置的新設(shè)計(jì)，并分析了平面陽(yáng)極支撐的固體氧化物燃料電池堆的熱應(yīng)力。MANGLIK 等[8]在具有不同形狀的雙極板互連流動(dòng)通道、由平面陽(yáng)極支撐的SOFC中同時(shí)模擬熱和質(zhì)量傳遞。黑盒模型基于人工智能， 其實(shí)現(xiàn)主要依賴于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]。SORRENTINO 等[10]綜合白盒和黑盒模型，提出一種SOFC單電池的灰盒模型。它基于物理關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建模，較靈活[11]。這些研究大多以溫度、流速等為研究對(duì)象，未考慮到內(nèi)部多物理場(chǎng)耦合情況。為此，本文基于COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真平臺(tái)，考慮板式固體氧化物燃料電池內(nèi)部的氣體流動(dòng)、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，建立固體氧化物燃料電池的三維模型。

1 固體氧化物燃料電池模型的建立

1.1 研究對(duì)象

SOFC 工作溫度高(600～1 000 ℃)，可以快速達(dá)到熱力學(xué)平衡，從而降低對(duì)催化劑的要求。其以氧化物離子導(dǎo)電陶瓷材料作為電解質(zhì)，氧離子作為傳輸離子，工作原理如圖1所示。

氧化劑(一般為氧氣或富氧空氣)在陰極反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)生成O2?：

O2?通過(guò)固體電解質(zhì)輸入至陽(yáng)極反應(yīng)區(qū)，而電子則通過(guò)外電路從電池的陽(yáng)極傳輸?shù)疥帢O形成電流。燃料氣在陽(yáng)極反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，見下式(以氫氣為例)：

電池的總反應(yīng)為

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，SOFC單電池電壓理論上能達(dá)到1.229 V，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)80%。電池的開路電壓可用下式計(jì)算：

圖1 固體氧化物燃料電池工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of solid oxide fuel cell operation

其中：

式中：PO2，PH2和PH2O分別為氧氣、氫氣和水蒸氣分壓；R為通用氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)；E0為電池標(biāo)準(zhǔn)電壓；ΔG0為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能。

工作溫度、燃料及氧化劑的種類對(duì)單電池的電壓和能量轉(zhuǎn)化效率都有很大影響[12]。此外，由于電池中的歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化，電池的實(shí)際輸出電壓與理論值有很大差異。

1.2 模型建立

1.2.1 幾何模型

三維模型可以模擬燃料電池內(nèi)部行為，并且給出關(guān)于溫度和燃料分布信息[13]。選取固體燃料電池單體作為研究對(duì)象，建立SOFC 單電池三維模型，如圖2所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 SOFC單氣體流道模型和SOFC單電池三維模型Fig.2 SOFC single gas channel model and 3D model of SOFC single cell

1.2.2 模型假設(shè)

為簡(jiǎn)化模型、提高模型的適用型，在模型建立的過(guò)程進(jìn)行如下假設(shè)：

1)本模型反應(yīng)過(guò)程是穩(wěn)態(tài)的，且電池內(nèi)部各種材料具有各向同性；

2)溫度均勻且在運(yùn)行過(guò)程中保持不變；

3)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

表1 SOFC模型參數(shù)Table 1 Parameters of SOFC model

4)反應(yīng)氣體均為理想氣體；

5)電極內(nèi)物質(zhì)對(duì)流傳遞可以忽略。

1.2.3 SOFC單電池三維模型的建立

經(jīng)分析，模型的反應(yīng)過(guò)程可由Butler-Volmer公式、歐姆定律(描述電子電荷平衡、離子電荷平衡)、Navier-Stokes模型(描述氣體通道中的流量分布)、Strokes-Brinkman 模型(描述多孔氣體擴(kuò)散電極中的流量)、Maxwell-Stefan 擴(kuò)散和對(duì)流模型(描述氣體通道和多孔電極中氣相的質(zhì)量平衡)，以及邊界條件和初始條件構(gòu)成封閉的方程組來(lái)描述。下面詳述模型所使用的物理場(chǎng)接口及方程[14?16]。

1.3 物理場(chǎng)分析

1.3.1 二次電流分布

本模型在陰極、電解質(zhì)和陽(yáng)極中采用二次電流分布接口，通過(guò)二次電流分布接口與模擬質(zhì)量傳遞的接口耦合，可描述模型中電流密度分布隨濃度變化的變化；通過(guò)二次電流分布接口與歐姆定律和電荷守恒耦合，可描述模型中電極和電解質(zhì)中的電流傳導(dǎo)。

將陽(yáng)極和陰極定義為多孔電極，給定電解質(zhì)和電極材料電導(dǎo)率、多孔電極反應(yīng)的溫度、平衡電位、相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和活性比表面積，設(shè)置電池的零電勢(shì)點(diǎn)和電壓初始值。在離子電荷守恒中，假設(shè)所有外部邊界都是絕緣的，而在內(nèi)部邊界將電流和電勢(shì)看作是連續(xù)變化的。假設(shè)陽(yáng)極和陰極反應(yīng)區(qū)中的電子和離子滿足電荷平衡，電荷轉(zhuǎn)移和過(guò)電位之間的關(guān)系可以用Butler-Volmer 公式來(lái)描述[17]。

在陽(yáng)極，氫被氧化形成水，并假設(shè)第一電子轉(zhuǎn)移為速率控制步驟，則滿足

式中：i0,a為陽(yáng)極交換電流密度，A/m2；cH2和cH2O分別為H2和H2O濃度，mol/m3；cH2,ref和cH2O,ref分別為H2和H2O 參考濃度，mol/m3；T為溫度，K；η為過(guò)電位，V。

對(duì)陰極，滿足

式中：i0,c為陰極交換電流密度，A/m2；xO2為氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)，%；cO2,ref為O2參考濃度，mol/m3。

過(guò)電位η用下式計(jì)算：

式中：φele為電子電阻引起的歐姆電阻電位，V；φionic為離子電阻引起的歐姆電阻，Ω；Δφeq為平衡電勢(shì)差，V。

以陽(yáng)極的入口邊界作為零電勢(shì)點(diǎn)，陰極的入口邊界作為電池電勢(shì)點(diǎn)，Vcell通過(guò)下式計(jì)算：

式中：Vcell為SOFC工作電壓；Vpol為極化電壓，V；Δφeq,c和Δφeq,a分別為陰、陽(yáng)極平衡電勢(shì)差。

在此模型中，Δφeq,a為0 V，Δφeq,c為1 V。當(dāng)壓力一定時(shí)，電池電壓隨電流密度增加而降低，即電壓損失會(huì)逐漸增大，因電流密度增加導(dǎo)致極化損失和歐姆損失增大；當(dāng)電流密度較低時(shí)，電池反應(yīng)受電極動(dòng)力學(xué)控制，電壓損失以活化極化為主；當(dāng)電流密度較高時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)受氣體擴(kuò)散速率控制，電壓快速下降。據(jù)式(4)，溫度升高，電池的理想電壓會(huì)降低，同時(shí)，高溫有利于增大電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率，減小歐姆極化過(guò)電位[18]。

1.3.2 濃物質(zhì)傳遞

在陽(yáng)極和陰極各設(shè)1個(gè)濃物質(zhì)傳遞接口，陽(yáng)極因變量為H2和H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，陰極因變量為O2，H2O和N2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。濃物質(zhì)傳遞用于研究氣體和流體混合物，其中，物質(zhì)濃度具有相同量級(jí)，且都不能被看作是溶劑?；旌衔锏膶傩砸蕾囉诮M成，需考慮所有物質(zhì)的分子和離子之間的相互作用。此接口中包含多組分?jǐn)U散模型，其中每種物質(zhì)的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力受組成、溫度以及壓力的影響，用于求解所有參與物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)對(duì)流(粒子隨溶液的流動(dòng)而流動(dòng))、擴(kuò)散(粒子在濃度梯度下的運(yùn)動(dòng))以及電遷移(帶電粒子在電場(chǎng)作用下的遷移)來(lái)傳質(zhì)。假設(shè)電極和氣體通道的擴(kuò)散機(jī)制為Maxwell-Stefan 模型，給定方程相關(guān)參數(shù)和初始值，加入多孔電極耦合，輸入局部電流源，給定反應(yīng)電子數(shù)和化學(xué)計(jì)量數(shù)，指定氣體出口和入口。將氣體通道和氣體擴(kuò)散電極壁的邊界條件設(shè)為零質(zhì)量通量，設(shè)組分和通量的連續(xù)性適用于氣體擴(kuò)散電極和氣體通道所有界面。

1.3.3 自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)

在陽(yáng)極和陰極各設(shè)1個(gè)自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)接口，陽(yáng)極因變量為速度場(chǎng)ua、壓力pa，陰極因變量為速度場(chǎng)uc、壓力pc。本模型使用弱可壓縮Navier-Stokes 方程控制氣體通道中的氣體，用Brinkman 方程描述多孔氣體擴(kuò)散電極中的流速，計(jì)算單相自由流動(dòng)與多孔介質(zhì)連接在一起時(shí)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。

將電極和氣體通道的自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)的物理模型設(shè)為可壓縮流(馬赫數(shù)Ma<0.3)，給定流體的動(dòng)力黏度和密度；設(shè)定多孔基體屬性，給定孔隙率、滲透率；加入多孔電極耦合，輸入局部電流源，給定反應(yīng)電子數(shù)、化學(xué)計(jì)量數(shù)。指定流體出口和入口，設(shè)置壓力，使入口處輕微過(guò)壓以驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)，出口處選擇法向流，設(shè)置邊界條件為滑移。耦合以上幾個(gè)接口，可描述SOFC單電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和傳質(zhì)過(guò)程。

2 結(jié)果討論

2.1 模型驗(yàn)證

確定模型的物理場(chǎng)、內(nèi)部參數(shù)和網(wǎng)格劃分方式，分別對(duì)極化電壓、入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、工作溫度、單電池長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)化掃描和模擬計(jì)算。考察電池內(nèi)部氣體分布、電流密度分布、極化情況。將模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的有效性[19-20]。該三維模型剖分網(wǎng)格為36 288個(gè)，滿足研究要求。

2.2 不同極化電壓下電池內(nèi)部狀態(tài)

為研究不同極化值下(即電池電壓不同時(shí))電池內(nèi)部氣體分布情況以及電流密度分布情況，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型，在溫度為800 ℃，壓力為1×105Pa，單電池長(zhǎng)度為0.01 m，入口燃料氣體為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)氫氣與60%水蒸氣，陰極氣體為15%氧氣與37%水蒸氣與58%氮?dú)?，其他參?shù)見表1，計(jì)算不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的陰陽(yáng)極氣體分布情況。

圖3所示為不同極化值時(shí)電解質(zhì)平面上電流密度及分布。從圖3可見：當(dāng)極化值為0.05 V即電池電壓為0.95 V 時(shí)，電流集中分布在電池左端；隨著極化值不斷增大，電池電流密度也隨之增大；電流開始集中分布于電池右端，且隨極化值進(jìn)一步增大，電池密度峰值范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，分布更加均勻，由右端向中部逐漸減少；當(dāng)電流密度較低時(shí)，電池反應(yīng)受電極動(dòng)力學(xué)控制，電壓損失以活化極化為主；當(dāng)電流密度較高時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)受氣體擴(kuò)散速率控制，電壓快速下降；因氧氣耗盡，電流密度分布很不均勻，集中在右端陰極入口處。

圖3 不同極化值下電解質(zhì)平面上電流密度及分布Fig.3 Current density and distribution on electrolyte plane under different polarization values

在極化值為0.5 V即電池電壓為0.5 V時(shí)，氧氣摩爾分?jǐn)?shù)在陰極和氣體流道的分布情況如圖4所示。從圖4 可見：氧氣由電池右端向電池左端擴(kuò)散，擴(kuò)散非均勻。氧氣在陰極的消耗量表明陰極發(fā)生反應(yīng)的程度。

當(dāng)極化值為0.5 V 時(shí)，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)在氣體流道和陽(yáng)極中的分布情況如圖5所示。從圖5 可見：與氧氣的分布類似，氫氣在陽(yáng)極的分布也呈現(xiàn)沿輸入口向出口方向減少的現(xiàn)象。

圖4 氧氣的摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Mole fraction distribution of oxygen

圖5 氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Mole fraction distribution of hydrogen

2.3 入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)電池的影響

為研究不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下電池內(nèi)部氣體分布情況以及電流密度分布情況，在溫度為800 ℃，壓力為1×105Pa，極化值為0.5 V，單電池長(zhǎng)度為0.01 m，入口燃料氣體為40%氫氣與60%水蒸氣，其他參數(shù)按表1設(shè)置的條件下，計(jì)算不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的陰陽(yáng)極氣體分布情況，分析入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)極化曲線的影響，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

從圖6和表2可看出：隨著入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，出口氧氣最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加，且在本模型中明顯呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)。

圖6 氧氣分布隨入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.6 Oxygen distribution varies with inlet oxygen mass fraction

圖7 氫氣分布隨入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.7 Hydrogen distribution varies with inlet oxygen mass fraction

表2 入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出口氧氣最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Effect of inlet oxygen mass fraction on the minimum mass fraction of outlet oxygen

圖7所示為不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在陽(yáng)極和氣體流道中的分布。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氣從電池左端輸入，從電池右端流出，如表3所示。

隨入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，出口氫氣最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之減少，且在本模型中呈現(xiàn)線性減少的趨勢(shì)，但變化不大。由表3可知：當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～23%時(shí)，氫氣消耗基本相同，即在模型中入口氫氣的質(zhì)量只要達(dá)到40%就可保證電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不受氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的限制。

表3 入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出口氫氣最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 3 Influence of inlet oxygen mass fraction on the minimum mass fraction of outlet hydrogen

不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下極化曲線如圖8所示。從圖8可見：在高電流密度下，入口氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)顯著影響電池性能；而在低電流密度下，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是影響電池電壓的主要因素。

圖8 不同入口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下極化曲線Fig.8 Polarization curves at different inlet oxygen mass fractions

2.4 工作溫度對(duì)電池的影響

應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型，為研究SOFC在不同工作溫度(800～1 000℃)下電池電壓與功率隨電流密度的變化趨勢(shì)，在壓力為1×105Pa，單電池長(zhǎng)度為0.01 m，燃料氣體為40%氫氣與60%水蒸氣，陰極氣體為15%氧氣、37%水蒸氣和58%氮?dú)猓渌麉?shù)按表1設(shè)置的條件下進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同溫度下平均電流密度與工作電壓的關(guān)系Fig.9 Relationship between average current density and working voltage at different temperatures

圖10 不同溫度下平均電流密度與功率密度的關(guān)系Fig.10 Relationship between average current density and power density at different temperatures

分析圖9可知：在同一溫度下，隨著電流密度增大，電池工作電壓不斷下降。這是因?yàn)殡S著電流密度增大，電池極化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重；當(dāng)電流密度較低(800 A/m2以下)時(shí)，電池工作電壓受溫度的影響較小，而當(dāng)電流密度較高時(shí)，電池工作電壓受溫度的影響很明顯；溫度越高，隨著電流密度增大，電池工作電壓越小，且下降速度越快。

隨著溫度升高，電池的活化極化、擴(kuò)散極化和歐姆損失都會(huì)減少，固體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率增大，氣體擴(kuò)散速度也會(huì)加快，電池電壓反而會(huì)增高。在高溫(800～1 000 ℃)下，離子電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)變化難以得到準(zhǔn)確值，因而，模型將電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和氣體擴(kuò)散系數(shù)簡(jiǎn)化為常數(shù)，不考慮溫度升高對(duì)于傳質(zhì)的影響。據(jù)能斯特公式，處在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的電池可逆電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而降低，比率為0.27 mV/℃[7]。模型驗(yàn)證了溫度升高、電池工作電壓降低的現(xiàn)象。

由圖10 可知：在模擬高溫下(800～1 000 ℃)，電流密度與功率密度呈拋物線型變化，表明在低電流密度時(shí)，功率密度的變化可以忽略；在同一平均電流密度下，隨溫度升高，電池的功率密度下降；當(dāng)電流密度超過(guò)2 000 A/m2時(shí)，隨溫度升高，功率密度的極大值點(diǎn)反而朝電流密度減小的方向移動(dòng)。

2.5 單電池長(zhǎng)度對(duì)電池性能的影響

為研究不同長(zhǎng)度時(shí)單電池內(nèi)部氣體分布情況以及電流密度分布情況，在溫度為800 ℃，壓力為1×105Pa，極化值為0.5 V，燃料氣體為40%氫氣與60%水蒸氣，陰極氣體為15%氧氣、37%水蒸氣和58%氮?dú)?，其他參?shù)按表1設(shè)置的條件下，計(jì)算氧氣和氫氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，仿真結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的氧氣從電池右端輸入，左端流出，沿輸入方向氧氣被不斷消耗。具體消耗情況如表4所示。

當(dāng)單電池長(zhǎng)度較短如2 mm時(shí)，氧氣的消耗量很小，利用率不高；當(dāng)長(zhǎng)度為10 mm 時(shí)，氧氣消耗較充分。

由圖12 可知：當(dāng)電池長(zhǎng)度改變時(shí)，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布也會(huì)隨之變化。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氣從電池右端輸入，左端流出，沿輸入方向氫氣被不斷消耗。具體消耗情況如表5所示。

因模型長(zhǎng)度較短，氫氣的利用率不高，電化學(xué)反應(yīng)主要受氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

圖11 氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨單電池長(zhǎng)度的變化Fig.11 Oxygen mass fraction varies with length of single cell

圖12 氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨單電池長(zhǎng)度的變化Fig.12 Hydrogen mass fraction varies with length of single cell

表4 單電池長(zhǎng)度對(duì)出口氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 4 Effect of single cell length on oxygen mass fraction at outlet

在不同單電池長(zhǎng)度下，平均電流密度與工作電壓的關(guān)系見圖13。從圖13可知：

表5 單電池長(zhǎng)度對(duì)出口氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 5 Effect of single cell length on hydrogen mass fraction at outlet

1)當(dāng)單電池長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著電流密度增大，電池工作電壓不斷下降。

圖13 不同單電池長(zhǎng)度下平均電流密度與工作電壓關(guān)系Fig.13 Relationship between average current density and working voltage under different single battery lengths

2)單電池長(zhǎng)度越長(zhǎng)，隨電流密度增大，電池工作電壓下降速度越快。

3)當(dāng)電流密度較低(800 A/m2以下)時(shí)，電池工作電壓受單電池長(zhǎng)度的影響較小，而當(dāng)電流密度較高時(shí)，電池工作電壓受單電池長(zhǎng)度的影響很明顯。

4)在同一較小電池電壓下(小于0.5 V)，隨著單電池長(zhǎng)度增加，電流密度下降速度增大。

3 結(jié)論

1)入口處氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，電化學(xué)反應(yīng)速率也較快，因此，氣體入口處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化往往比氣體出口處質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化更快，優(yōu)化氣體流道設(shè)計(jì)對(duì)于提升電池性能有較大影響。

2)在高電流密度下，入口氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)顯著影響電池性能，而在低電流密度下，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是影響電池電壓的主要因素。

3)當(dāng)燃料氣為氫氣時(shí)，電池性能主要受氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制，平衡進(jìn)氣組分可以提高電池的燃料利用率，但同時(shí)也要考慮氣體來(lái)源問(wèn)題。當(dāng)電池工作溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部很多參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，因此，要提升電池性能，必須從多個(gè)方面綜合考慮。當(dāng)單電池長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，氧氣的消耗量很小，利用率不高。