文章信息
可逆固体氧化物电池流场设计及优化的研究进展与展望
黄旭锐1，雷金勇1，潘军1，于丰源1，许余浩2，涂正凯2
1广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510600；2华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074
引用本文
黄旭锐, 雷金勇, 潘军, 等. 可逆固体氧化物电池流场设计及优化的研究进展与展望[J]. 化工进展, 2024, 43(10): 5441-5456.
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1675
摘要
氢能作为一种清洁能源，不但具备清洁的利用过程，还能够与间歇性可再生能源有效结合，达到节能减排的重要效果。作为一种能够有效利用和制造氢能的装置，可逆固体氧化物电池（reversible solid oxide cell，RSOC）拥有燃料电池和电解槽两种运行模式，引起了广泛关注。RSOC的流场结构对其性能具有重要影响，具体表现为流道形状、尺寸及气体配置对RSOC内部气体流动特性的影响，均匀的气体分布及优异的扩散过程有利于电池输出性能及稳定性的提升。本综述总结了RSOC平行、蛇形、交指等传统流场与X形、三维网状等新型流场的结构特点及其电池输出特性，并对现有相关流场优化方式的研究进行了详细的分析和讨论，以全面概述该领域的最新进展。结果显示，针对RSOC内部气体流动特性可以通过优化温度、压强、气体流量等运行条件，选择合适的电解质、电极结构参数，阴阳极气流配置，以及设置流道障碍物等方式改进传统流场，促进气体传质与扩散过程；同时设计新型流场结构及多孔介质流场也是改善气体流动状态的一种方式。
地球能源资源的开发与利用促进了人类社会的持续快速发展，在对资源开采利用的同时，也伴随着严重的生态环境问题。目前，人类正面临着严重的能源与环境危机，如石油、煤炭、天然气等不可再生能源储量不足，而太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的发展又相对滞后，在一次能源消费中，可再生能源仅占比15%。能源供应受到天气和自然条件的影响，具有较大的不稳定性和间歇性，同时能源分布具有区域性，需要储能和长距离输送技术的同步发展，进一步的技术突破和经济支持才能实现可再生能源的大规模应用。此外，化石燃料燃烧会排放大量二氧化碳，造成全球变暖、温室效应及海平面上升等环境问题。因此，由于化石燃料的过度开发及其对环境和气候的破坏性导致世界各国加紧开发清洁的可持续能源，推进低碳能源的发展。
氢能作为一种清洁高效、绿色低碳、可持续、安全的二次能源，是极具发展潜力的清洁能源，具有非常高的能量密度，相比传统燃料如汽油和柴油，单位质量的氢气可以储存更多的能量；同时由于氢气燃烧只产生水蒸气，不产生二氧化碳等有害气体和污染物，因此使用氢能可以实现零排放利用过程。此外，氢能能够以气态、液态或固态的金属氢化物存在，所以在储存和运输方面具有较大的潜力。由于较大的扩散系数和浮力，低的单位体积能使其作为最不容易形成可爆炸气雾的燃料。
综上所述，氢能必将成为人类社会未来重要的清洁能源之一。其中，“制氢”和“氢能发电”是目前氢能发展利用过程中的两个关键节点。可逆固体氧化物电池（reversible solid oxide cell，RSOC）是在同一装置内实现高温下制氢/发电可逆循环的技术，将“电解制氢”和“氢气发电”相结合，实现氢循环完美闭环。RSOC因其燃料范围广、高效率无污染等优点受到研究者的广泛关注。如图1所示，RSOC具有固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）和固体氧化物电解池（solid oxide electrolysis cell，SOEC）两种模式，既可以在SOFC模式下工作，利用氢气、天然气、乙醇等燃料发电，将存储在燃料中的化学能直接转化为电能，也可以在SOEC模式下工作，有效地利用间歇能源通过电解H2O和CO2分别制成H2和CO，将电能转化为化学能储存，减轻温室效应。当RSOC在SOFC和SOEC模式下交替运行时，就可以实现发电和产氢的循环过程，对解决人类社会所面临的能源问题具有重要意义。
图1 氧离子型可逆固体氧化物电池工作原理
可逆固体氧化物电池由互连件、阴阳极扩散电极及电解质组成。互连件上的气体通道用于将尽可能多的反应气体输送到电极并快速运送反应产物。合理设计的流场可以确保气体在电池内部的均匀分布，减少不均匀的气体流动引起的温度和压力梯度，降低电池单元中的局部热点温度，提高电池的运行稳定性和效率。此外优化的气体流动路径可以最大限度地提高气体与电极界面之间的接触，促进电池传质过程，同时降低流动阻力，减小电池额外功率的产生，有助于提高反应速率，增大电池功率密度。可见，合理的可逆固体氧化物电池的流场设计对提升电池内部电化学反应及传质传热过程具有重大意义。本文在介绍传统流场特点的基础上，总结了有关可逆固体氧化物电池流场设计方面的最新研究，重点介绍流场优化设计的不同方式，并根据现有研究提供了可逆固体氧化物电池流场下一步的研究方向。
1
常规流场结构及特点
如图2(a)所示，平行流场是目前使用最广泛的流道，由许多平行的流道组成。其简单结构降低了流场的制造成本，具备流场简易、方便制造的优势，能够进行规模化制备。同时因为流程短的直流道，中间没有转折点，具备最小的进出口压力损失，能降低可逆固体氧化物电池工作时所需的寄生功率；但是由于流道较短，流道内气体与电解接触不充分，气体利用率低，会降低电化学反应强度，不利于电池功率的提升。此外，每个平行流道中的流动阻力不一致，极易出现反应物分布不均匀的情况，从而导致电流密度和温度分布不均，影响电池整体性能。
蛇形流场也是常见的流场结构，具有单通道蛇形和多通道蛇形两种流道类型，分别如图2(b)、(c)所示。相比于平行流道，反应物气体流经单一路径，该路径由一个或多个流道组成，流过整个活性表面区域，蛇形流道距离长，流道内气体与电解接触面积大、时间长，提供更多的反应机会，并使气体能够在电极表面上均匀分布，有助于提高反应效率和燃料电池的性能。此外，由于蛇形流道内气体流速大，产生的气体能够及时排出。但是由于蛇形流道存在连续的弯曲和转向，导致气体进出口压降大，RSOC运行需要更多寄生功率，同时沿流动方向急剧下降的气体浓度也会导致电流密度和温度的不均匀分布。同时还面临杂质积聚风险：尽管蛇形流道具有一定的抗堵塞能力，但长时间运行后如金属离子、颗粒物等杂质仍可能集聚在流道内部，降低流道的通量和反应活性，并增加燃料电池的失效风险。由于蛇形流道的结构复杂程度较高，与其他简单的流道设计相比，蛇形流道的制造成本更高，加工过程也更加复杂和耗时。
如图2(d)所示，交指流场的末端被设计为死端通道，气体流动时被迫向四周扩散，气道内气体发生强制对流，极大提升气体和多孔电极的接触面积，有利于提高气体的利用率和电池的功率密度，减少电池极化损失。但由于采用死端通道设计，气体流动阻力很大，会产生较大的压降，从而有可能损坏多孔电极，也大幅增加了电池运作时的寄生功率。同时这种设计使得沉积物在通道中较难清除。导致杂质和沉积物在其中流道和多孔电极表面积聚，降低燃料电池的反应活性和可靠性。
如图2(e)所示，销钉式流场由柱状销钉规则排列组成，销钉形状一般为立方体或圆形。销钉式流场性能受销钉尺寸、排列方式等影响很大。通过对销钉排列方式的优化设计可以实现相对均匀的气体分布。同时由于销钉排列紧密，气体在通道之间的流动路径较短，有助于减少局部压降和流动阻力，从而实现更均匀的气体供应。但在高温环境下的热膨胀及氧化还原反应的影响下，销钉处容易发生密封不完全现象，造成通道气体泄漏，导致电池性能下降、效率降低，并引起安全隐患。
图2 常规流场结构
除了上述四种常见流道外，点状流场、网格型流场和螺旋型流场等由于各自的特点也常被研究和使用。
2
流场结构优化
2.1
流道截面几何形状优化
电池热流体动力学性能受到空气和燃料通道横截面形状的显著影响。通过对流道截面几何形状的优化设计，能够达到促进传质传热过程的目的，对RSOC性能提升至关重要；同时优化流体和温度分布均匀性，避免局部热点和不均匀反应的产生。Manglink等通过数值模拟比较了具有相同长宽比的不同横截面形状（矩形、梯形和三角形）通道对横向温度和物种分布的影响，以及摩擦损失和传热系数，图3为各流道截面示意图。结果表明通道的截面形状对热量和物质的对流和扩散影响较大。与梯形或三角形通道相比，采用矩形通道的电池散热能力更强，温度分布更均匀，燃料和氧化剂的流动过程也具有更高的传热系数和更低的摩擦系数，有助于SOFC平面堆栈的整体热管理。具有三角形形状的流道能够提高H2消耗量，相比于其他几何形状，还能给平面SOFC电堆提供更好的结构支持。
图3 不同截面几何形状的直流道
同时，Khazaee等也比较了气体通道的几何形状分别为矩形、三角形和梯形时对电池氢摩尔分数分布及输出性能的影响。除此之外，还研究了空气流速和燃料流速等操作参数对电池性能的影响。通过基于有限元法的三维数值模型分析平面SOFC气体传输及扩散过程、扩散电极及电解质层性能。如图4(a)所示，与三角形和梯形几何形状相比，采用矩形几何形状流道的电池具有最高性能，相比之下梯形通道的电池表现的性能较差。增加空气及燃料流速可以减小氢气消耗量。梯形通道的氢摩尔分数高于三角形和矩形通道，三角形和矩形通道的氢摩尔分数几乎接近。相似的结论在Hesami等的研究中也获得。Hesami等还发现相比于高电压工作条件，低电压下通道截面几何模型对电池性能影响更大，提高入口燃料速度和降低入口空气速度均能提高电池的电流和功率。但燃料速度较高时，通道截面几何形状对燃料消耗系数没有显著影响。Xu等则比较了不同流道截面几何（矩形、三角形、梯形和半圆形）对SOEC输出性能和性能参数的影响，通过选择合适的几何形状提升电解槽综合性能。研究结果表明梯形流道表现出最佳的电解性能，而三角形流道的气体和流速分布最均匀，半圆形流道性能则与平行流道相似。
Zhang等设计一种新型反向梯形流道，如图4(b)所示。新颖的反向梯形设计的肋条和通道宽度沿流动方向变化，通过产生不均匀的流动来增强反应物对电极的扩散。传统直流道的电流密度为0.4×103A/m2，而新型反向梯形流道的电流密度能达到1.0×103A/m2，说明新型流道能够有效提升电流密度和电解效率，同时水蒸气扩散率的增加表示反应物的扩散过程明显改善。气体流动状态与流道截面形状有关，使用平整且宽度均匀的流道截面可以有助于均匀分配气体流量，通过优化流道截面形状促进传质传热过程，从而改善气体扩散过程与电池内部温度分布，提高电池的反应效率和稳定性。
图4 三种不同截面几何形状流道下电池的极化曲线和反向梯形流道流动示意图
由此看出，流道几何形状在优化可逆固体氧化物电池中起到关键作用，通过控制流体流动状态来影响电池电流密度、输出功率、工作温度等性能参数；此外流道几何形状的变化对SOFC和SOEC的影响并不相同，具有矩形流道的SOFC拥有优异的性能；而对于SOEC，梯形流道表现出最佳的电解性能。可变截面流道综合了不同几何截面流道的优势，同时能够通过不均匀流道促进传质扩散过程，是未来流道截面几何形状的优化方向。
2.2
流道运行条件及结构参数优化
SOEC的关键运行条件（温度、压力、电流密度）对SOEC的电化学性能（能斯特电压和极化损耗）、热性能（温度和热应力）和机械性能（机械应力）有重大影响。流道深度、截面积等结构参数也是重要的影响因素。深度较浅的流道虽然气体流速较高，但会造成高度的流动不均匀性，而较深的流道虽然流速较低，传质能力有所不足，但流体易发生旋流使得电化学反应更加充分。Bi等研究了流道设计参数，包括流道的高度和长度，电池的高度和歧管的宽度等，对流动均匀性的影响。模拟结果表明，出口歧管宽度与入口歧管宽度的比值是影响流量分布的关键参数。当比值大于3时，可以大大提高电堆流动均匀性，同时最佳比值随着电堆中燃料电池数量的增加而增加，并且它们的关系近似于线性。Li等讨论了工作温度对极化曲线、电流密度和氧浓度的影响，发现随着温度的升高，SOEC模式的浓度极化增大，而SOFC模式的浓度极化减小。温度变化对SOEC和SOFC模式空气电极中氧气扩散行为会产生不同影响。图5显示了工作电流密度为3000A/m2时分别在SOEC和SOFC两种模式下温度为700℃、750℃和800℃时电池的过电位。随着温度的升高，SOEC的过电位变化分别为0.020V、0.027V和0.030V，SOFC的过电位变化分别为0.120V、0.088V和0.069V。可以明显看出SOFC过电位随温度升高而减小，而SOEC的过电位则随温度升高而略有增大，所以针对RSOC不同的运行模式应该采用相应的温度控制策略，来获得最佳的电化学性能。
图5 电流密度为3000A/m2时不同温度下对电池过电位的影响
帅浚超等通过分析电池内部速度场、摩尔浓度场及电流密度场来研究流速、组分浓度等参数对电池输出性能的影响。研究结果表明，调整阴极空气流速能够控制SOFC工作温度，阴极扩散层厚度对氧气扩散过程和欧姆极化损失影响较大。Zhao等就入口及出口管几何参数对SOFC流动及压力分布特性的影响进行深入研究。研究结果表明，入口和出口管径的增加有利于气体流动均匀性的提升。分流板上设置的圆形穿孔片与喇叭形入口管能在优化压降的基础上进一步优化流动均匀性，圆形穿孔片与喇叭形入口管的结构如图6所示。这项研究主要针对SOFC电堆外部歧管的几何结构优化，是优化电堆内部气体流动状态保证电池高性能运行的方法之一。
图6 SOFC电堆结构示意图
此外，Huang等还研究了电极厚度、电极孔隙率、电极/互连件界面宽度等组件的结构参数对单块层状（MOLB）型SOFC性能的影响。不同于以往研究所得出的结论，Huang等发现当阴极厚度低于100μm时，相比于传统平板式SOFC，MOLB型SOFC表现出较差的性能。从图7可以看出，电池功率密度随着阴极厚度的增加而急剧增加，说明提升阴极厚度是优化电池输出性能的重要方式。当阴极/互联器界面宽度为1mm时，电池具有较大的功率密度。
图7 阳极厚度和阴极厚度对电池功率密度的影响
运行条件（包括工作温度，进口压强、电流密度、气体流速、空气过量比、气体成分等）与结构参数（包括歧管宽度、流道深度、流道截面积、电极厚度、电极孔隙率等）对电池性能参数（包括极化曲线、功率密度、过电位、气体浓度、热应力等）产生巨大影响。通过优化电池运行条件及电池流道、歧管和电极的结构能够改善电池的输出性能。较高的气体流速可以增加气体与电极反应的接触时间，提高反应速率；同时提高工作温度也能达到增强反应的效果，但会带来功耗增加及材料寿命等问题。优化流道结构主要表现在气体速度场和浓度场的改善，通过均匀分配气体流量并减小压降，可提高整体电池性能，出入口管径的增加对提升流体流动均匀性具有重要意义。
2.3
气流配置优化
根据阴极气体和阳极气体流动方向可将流体在流道中的流动方式分为三种：①阴阳极气体在流道中以相同的方向流动为共流配置；②阴阳极气体在流道中以相反的方向流动为逆流配置；③阴阳极气体在流道中呈交叉流动是错流配置。特定流动配置的选择对温度、物质浓度、电势和电流密度等状态参数的分布有显著影响。合适的气体流配置能提高气体分布的均匀性，并促进每个单元中的热量和质量传递。Recknagle等的研究表明共流配置下SOFC具有最均匀的温度分布和最小的温度梯度，以及最佳的热量分布。如图8所示，温度都沿气流方向升高，在气流出口附近达到最高值，横流配置和逆流配置下电池温差相似。逆流配置比共流和错流配置具有更高的功率密度。然而，逆流配置会造成不均匀的流量分布以及耦合燃料和气流入口、出口所需的非常复杂的结构。Kim等的研究也得出相似的结论。通过对三种流动配置下的平板式SOFC温度、电流密度等性能参数的研究，发现共流配置下的SOFC表现出最佳性能，拥有最低的过电位。同时Kim等还设计了新型分离器使得通道内的气体流量偏差控制在平均速度的3%以内。
图8 SOFC活性区域的温度分布图
黄雕等针对不同气体流动配置下SOFC内部电流密度及温度分布情况进行深入研究。研究结果表明，在三种流动结构下，逆流配置形式能够使电池获得分布更加均匀的电流密度，同时反应界面温差最小，如图9(a)~(c)所示；而共流配置形式在入口处存在较大的温度梯度和热应力，不利于电池的寿命。此外，他们还研究了流道数量对电池输出性能的影响，发现减少流道数量能够提升电池的平均电流密度，提升气体分布均匀性，如图9(d)~(f)所示；提升流道数量有利于电池输出功率和燃料利用率的增加。宋明等则关注不同流道配置下平板式SOFC内部蠕变损伤及裂纹萌生位置，发现三种配置均会生成不均匀温度场分布，但流道配置对温度分布影响显著，错流配置下电池温度最高，逆流配置下电池温度最低。三种配置下温度最大值和最小值分别出现在流道出口和入口。相比共流配置和逆流配置而言，错流配置的SOFC具有最久的工作时长和最佳的力学稳定性，而共流配置拥有最短的服役寿命。
图9 不同气流配置和不同流道数下反应界面电流密度分布
Xu等对具有不同气流配置（共流、逆流和错流）的平面SOEC性能进行比较研究，同时还分析了物质质量分数、电流密度和能斯特电位等性能参数的分布特征。三维数值模拟结果表明，错流配置的平面SOEC表现出最佳性能，在相同的边界条件下产氢量最高，且电流密度与活化极化呈现棋盘式分布。如图10所示，电流密度随着气体流动方向减小，由于错流配置下电池运行温度更高，电池的平均电流密度大于共流配置和逆流配置，而整体呈现棋盘式分布是由于气体通道附近的活性区域与肋下的活性区域之间的物质浓度差。逆流配置的工作温度梯度小于共流和错流，有利于电池的耐久性。
图10 工作电压为1.2V时不同气流配置下电极/电解质界面上电流密度分布
张磊分别构建了单体及多流道板式SOEC三维共电解模型来分析不同气流配置下SOEC共电解性能。模拟结果表明，逆流配置下单体SOEC表现出最佳的温度和电流密度分布均匀性。在共电解模式中也同样发现错流配置下，SOEC内部电流密度呈棋盘状分布，这与Xu等的研究相符合。同时相比于其他两种气流配置，错流配置下SOEC具备更高的电流密度和更快的电化学反应速率。
不同气流配置对电池的影响主要体现在热量分布和输出功率上，共流配置可以有助于气体均匀分布，从而减小温度梯度和极化效应。逆流配置提高反应气体的浓度，从而有助于提升反应速率和电池的功率密度，但存在较大的局部温度梯度。而错流配置可以增加燃料气体和氧化剂气体之间的接触面积，从而增强反应效率。最佳的气流配置应综合考虑系统设计和电池运行条件。
2.4
流道障碍物设置
气-热-电分布不均匀的问题是由肋条和通道下活性区域的传热传质能力差异引起的。流道中障碍物的设置已被证明可以增强质子交换膜燃料电池（PEMFC）的传热和传质能力以及整体性能。障碍物通常用于改变流体流动系统中的流动模式，增强电池内部物质的传热和传质行为，以及物质在电池内部分布的均匀性。同时提升了通道中的局部气体流速，进一步优化了速度分布，并改善了催化剂层中的反应性能，为提高电流和电池平均功率创造条件。反应物的流动过程可以通过在流动通道中放置不同形状和数量的障碍物来控制，也与障碍物的布置形式相关。Yahya等开发了一个基于格状玻尔兹曼方法的综合数值模型研究了障碍物高度、数量和流道障碍物设置对传质过程和SOFC性能的影响。结果证明了障碍物的加入可以促进气体的扩散。图11显示了不同障碍物高度下气体在通道内的流动情况，放置障碍物的阻塞通道内气体加速并被迫进入多孔区，在障碍物顶端气体流速达到最大，当障碍物高度为通道高度的50%时，气体流速最大可达2m/s，而高度达75%的情况下，最大速度超过4m/s。SOFC的性能能够通过增加障碍物的数量和高度而得到改善，阳极通道内障碍物的数量和阻塞率最高时SOFC获得最佳性能，说明阳极流道障碍物的设置能够促进传质过程，但是阴极流道内障碍物的布置对提高SOFC性能没有任何作用。
图11 障碍物高度对速度等值线的影响
Mehdizadeh等则采用基于有限元法的计算流体动力学模型评估不同形状（矩形、梯形和三角形）及数量的障碍物对SOFC电压和功率的影响。此外，诸如进气速度、电极孔隙率等操作参数与电池输出性能的关系也被分析。研究发现流道中的梯形和矩形障碍物能够提高燃料电池的性能。如果将流道中的矩形障碍物替换为梯形和三角形障碍物，则电池整体效率将提高。如图12所示，在流道中添加七个三角形障碍物，与传统直通道相比，SOFC平均电流密度和燃料电池功率分别提高了15%和35%，但电池压降会随之增大。燃料电池效率的提高会降低SOFC中的平均过电位，增大电极孔隙率会提升SOFC输出功率。
图12 具有7个矩形、梯形和三角形流道障碍物的SOFC输出性能
流道障碍物的设置能够加剧气体的扰动，促进流道中的湍流和涡流的发生，从而增强气体向多孔电极的扩散过程，确保气体与电极的有效反应。但同时障碍物会增大气体的流动阻力，从而增加了气体的压降和电池运作的额外功率，湍流和涡流等不稳定的流动可能导致局部气体浓度变化和温度分布不均匀，进而影响电池的稳定性。
2.5
传统流场改进
常见的RSOC流场包括平行流场及蛇形流场等，通过对传统流场结构的改进来提升流场的传质传热能力，从而提升电池的性能和耐久性。徐琪等在蛇形流道的基础上，设计了一款渐变型气体流道用于固体氧化物燃料电池，并比较了与传统蛇形流道在气体流速、电流密度及工作温度等性能参数的差异。图13(a)、(b)显示了传统三通道蛇形流道和新型渐变式流道的结构差异。结果表明，新型渐变流道能够提升气体摩尔分数、电流密度、气体流速，同时有效降低了工作温度及电池热应力，延长了电池的使用寿命。如图13(c)、(d)所示，随着工作电压的降低及电流密度的增加，两种流道电解质层的第一主应力均增加。但是相比传统蛇形流道，渐变型流道应力明显减少，有利于电池耐久性的提升。
图13 流道结构和两种类型气体流道电解质层的最大第一主应力
由于传统流道的气体通道集中在电极的中间，阻碍了反应气体向这多孔电极的扩散过程，为了解决这个问题，王珂等提出错列式流道结构，如图14所示。通过对SOFC三维模型的数值模拟，证明了错列式流道能够提升反应气体流速，同时增大气体浓度及电流密度。相比于传统流道布置，采用错列式流道的SOFC输出功率增加了8.2%。
图14 SOFC流道结构
Saied等则通过增加入口和出口的数量来优化蛇形流场结构，避免单入口蛇形流道在出口处的气体回流。研究结果证实了三入口蛇形流道在整个活性表面区域具有优异的气体分布均匀性。与单入口及双入口蛇形流道相比，三入口蛇形流道具有最佳性能。在相同电压下，电流密度增加了5.18%。此外，与传统平行流道相比，改进型的平行流道也具有更加优异的性能。图15展示了研究中设计的蛇形、螺旋形及平行流道。目前的研究中针对传统流场结构的改进主要在传统流场构型的基础上对流道数量及流道结构进行了优化，针对传统流场的劣势进行改进，达到提升电池输出功率、降低材料热应力、延长工作时间的目的。
图15 研究中涉及的流道结构（单位：mm）
2.6
新型流场设计
为了提升流动均匀性，研究人员还设计了一些新颖的SOFC流场，以促进反应物气体传质，并提高SOFC性能。Kong等提出了一种新型的X形流道，同时将传统的直流道与X形流道下SOFC的性能进行对比，新型流道结构如图16所示。结果表明，X形流道的设计促进了反应气体向电极的传输，电池肋下的氧浓度高于传统直流道。此外，X形流道可以缩短电流路径，降低欧姆极化损失，提高SOFC的性能。在常规平行流场的基础上，加入圆柱形流场构成新型平行圆柱流场，与传统平行流场相比，采用新型平行圆柱流场的SOFC电堆电流密度增加了38%，氧扩散率提高了60%，使得阴极/电解质界面处反应物分布更均匀。同时，降低阴极电导率使得X形流道的性能提升更加显著。
图16 流道结构示意图
Xia等基于渔网结构设计了一种三维网状梯形流场用于提高SOFC输出性能和寿命，将数值模拟数据训练人工神经网络构建预测模型，建立变量与目标函数之间的映射关系，并结合非支配排序遗传算法Ⅱ算法进行多目标优化，确定最优流场结构尺寸，尽可能地提升电池功率密度和氧气分布均匀性。图17(a)展示了三维网状梯形流场结构，流场由分流单元和混合器组成。气体由左侧的分流单元进入流场，在混合器中汇合。由于相邻行的分流单元交错排列，反应气体在流动过程中不断汇合和分流，实现在流场中的均匀分布。对优化后的三维网状梯形流场的SOFC进行了性能分析，结果表明具有三维网状梯形流场的SOFC受气体入口流速及工作温度的影响较大。如图17(b)所示，700℃时电池的最大净功率密度能提升20.57%，SOFC净功率密度随着工作温度的增加而提升。最佳的新型流场结构增强了反应气体向阴极的输送能力，同时具有更高的氧摩尔浓度与更均匀的氧气分布。
图17 三维网状梯形流场结构和不同温度新型流场和传统平行流场电池的净功率密度
由肋条和通道组成的传统流场结构会导致热-电-质分布不均匀的问题。由于多孔材料具有高导电性、高孔隙率和低渗透性，用多孔材料取代肋条和通道形成流场可以克服这些问题。金属泡沫在PEMFC中的广泛应用表明电池性能能够得到显著改善。而可逆固体氧化物电池的强氧化还原气氛和高温等极端工作条件对金属泡沫提出了很高的要求。实验证明，铜锰泡沫作为氧电极触点具有足够的导电性和接触性，可支持RSOC在700℃下连续运行350h以上。Zhao等使用金属泡沫填充进平行流道中作为SOEC蒸气电解的流场，如图18(a)所示，研究电池电极渗透率、工作温度、蒸气摩尔分数分布及气体利用率对SOEC电解性能的影响。结果表明，金属泡沫的加入可以提高气体扩散能力，促进气体由通道向多孔电极的扩散。如图18(b)~(d)所示，相比于传统平行流场，含金属泡沫流场的SOEC蒸气转化率提高了5.5%，蒸气扩散通量提高了8.7%，阴极活化过电位的分布也更加优异，但会带来更大的压降。
图18 SOEC结构示意图和温度对有金属泡沫和无金属泡沫的SOEC的影响
Wang等则提出一种将多孔材料作为流道的新型流场，同时与平行、蛇形和平行蛇形三种传统流场进行比较。图19(a)和(b)显示了传统流道和多孔介质流道的结构差异。研究结果表明，多孔材料流场在物质浓度、温度和电化学反应分布等方面优于传统流场，能够将电解电压降低0.062V，同时由于欧姆热的有效降低，在电流密度为15000A/m2的条件下将最大温差降低至3.81K，明显低于其他流场。如图19(c)~(f)所示，蛇形流场拥有最大的高温区域，其次是平行和平行-蛇形流场，这是由于蛇形流场的通道长度最长、流速较大，导致累积热量多。多孔材料流场与多孔电极全接触使得电池导电性能大大提升，也有助于气体从通道到多孔层的扩散。
图19 SOEC结构示意图和四种流场下电池的温度分布场
詹若冰采用泡沫金属作为阳极支撑型SOFC的流场，并将其与传统平行流场相比较。研究结果表明，泡沫金属流场能够提升流场的导电能力和气体流速分布均匀性。由于更加均匀的电化学反应，电池温度也被降低。不同于针对电池内部气体流场的设计，方大为等通过对SOFC电堆外流道的合理设计实现气流均匀分布，对外流道的三进气管道及中间单进气管道两种结构分布设置多孔泡沫镍和钝体来改善气体的流动情况。数值模拟的结果表明，降低气体在外气道的流速可以显著提升流动均匀性，同时气体分配器的存在有利于气体流动进一步均匀化。
新型流场的设计都是为了促进气体扩散，减小极化损失，从而达到提升电流密度、改善气体分布均匀性的目的。流场结构和流场材料的优化是构建新型流场的两个方向，多孔材料在物质浓度、温度和电化学反应分布等方面的优势使其成为未来流场设计的重要方向。
3
结语
可逆固体氧化物电池作为一种高效、环保的能源转换技术，可以实现电能与燃料的相互转换，对碳达峰及碳中和战略有重大意义。流场对可逆固体氧化物电池的性能和运行稳定性起着关键性作用，合理的流场设计有助于电池内部气体质量传输及温度分布均匀性。本文在总结传统常见流场结构及性能的基础上，综述了有关可逆固体氧化物电池流场优化的最新进展，并总结了流场设计与优化的不同方式，得出以下结论。
（1）目前针对流场结构的优化与改善可以分为两种，一种在不改变传统流场基本结构的基础上，通过运行条件和部件结构参数的优化、流道截面几何形状及气流配置的合理选择、流道障碍物的设置以及流道数目与出入口数量的改进来增强气体传质效率，加快反应速率，从而提高RSOC的性能和能源转换效率。另一种则是针对传统流场结构的缺陷所导致的性能的降低，设计X形、渔网形等新型流场结构，或采用多孔介质材料作为流场实现气体、温度及电流密度的均匀分布，避免局部反应不均匀和产生非理想的电流密度分布，同时通过产生气体扰动来增强对流传质及扩散过程。
（2）气体流动状态与流道截面形状密切相关，优化流道截面形状可以改善气体扩散过程和电池内部温度分布，从而提高电池的反应效率和稳定性。运行条件和结构参数会对电池性能产生重要影响，通过优化流速、温度等运行条件，厚度、孔隙率等结构参数可以一定程度上改善电池的输出性能。不同气流配置对电池的影响主要体现在热量分布和输出功率上。合理的流道障碍物设置可以促进气体扩散并增强反应效率，但也会增加流动阻力和可能存在的不稳定流动。新型流场结构的设计和流场材料的选择是未来提升流场传质效率及电池输出性能的重要方向。
基于对有关可逆固体氧化物电池流场设计及优化最新研究的讨论与分析可以看出，目前研究中模拟环节主要采用传质传热耦合的三维多物理场模型，属于宏观尺度的模拟和模型开发，而实验也只能观测到流体宏观尺度的流动状态，针对微观尺度的气体传输过程研究较为缺乏，可以通过气体在扩散层及催化层等微观尺度传质行为的研究进一步研究指导流场的优化设计。同时，RSOC的高温工作条件使其通常利用可再生能源来提升系统效率，降低使用成本。受到可再生能源波动性及RSOC启停特性的影响，探索动态流场控制策略，以应对RSOC在不同工况下的运行。根据负载变化调整流场结构来控制气体流速及分布，动态流场的控制有助于提高RSOC系统的响应性能、稳定性和可调度性。此外，为了满足大功率高负载使用场景，RSOC电堆通常需要通过串联或者并联的方式形成多堆RSOC。然而目前大多数关于流场设计的研究集中在RSOC单电池或电堆，因此加强多堆RSOC气体通道设计的研究对实现气体在多堆间的均匀流动有重大意义，能够提高堆叠电池模块的热-电-气分布均匀性。
作者简介
第一作者及通信作者：黄旭锐，硕士，工程师，研究方向为电氢耦合系统、综合能源。
（扫码关注我们）
邮发代号：82-311
订阅热线：010-64519502
网址：http://hgjz.cip.com.cn
欢迎您分享、点赞、收藏、在看
