本文摘要：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
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局部热失控，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;优化发展
引言
传统能源的消耗导致环境保护面临的压力增大，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在少部分发达国家得到了良好的发展，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支撑电池并已成功上市，其功率密度在0.7V和700°C的工作条件下超过2Wꞏcm−2[4]。美国FY2020-21SOFCs项目组(Fiscalyear2020-21solidoxidefuelcellsprogram)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支撑结构，输出功率可达到1.5kW，交流发电效率达到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技术现状与发达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成本和寿命，且两者之间相互关联。
我国的稀土资源丰富，SOFCs的原料成本具有一定优势，因此，提高运行寿命是降低发电成本的关键。电堆的流场会影响电场与温度场，若流场分布不均则会导致电场分布不同，反应放热使得局部温度升高，温度越高的区域反应越快，放热越多，从而导致局部温度失控，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单电池单元的基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应。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，降低局部热失控的可能性[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表面性能的改良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较欠缺。
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流场设计的发展过程和不同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部分(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不足，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。根据结构设计的差异性，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具有以下特点：体积功率密度高，几何形状简单，制备工艺简单，成本较低，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;但也存在密封比较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以下几个方面：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若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。2007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，说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应消耗氧气量最少。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，电池寿命则更长。
1.1.2Z形流场
2006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模拟结果的比较，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。实验数据表明，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。
2020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，研究了阴极支撑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计算结果表明，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，电化学反应消耗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，中间的平行通道部分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应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
2015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，比较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。结果表明，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不足，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应进行得更加充分，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。
2018年，Saied等[19]建立了平面阳极支撑的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较，验证了模型的准确性[20]。
CFD计算结果表明，对于单入口蛇形流场SOFCs，由于燃料消耗的提前，在阴极侧出口处都会出现回流。为此，需要增加入口的数量，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，这表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应所需的能耗更大。因此，对于Z形流场和蛇形流场，气体供给的能耗较大。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。2002年，Recknagle等[22]结合CFD模拟和电化学计算的方法建立了三维平面SOFCs的模型，该模型PEN(Positive-Electrolyte-Negative)结构厚度为760mm，反应活性面积为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℃。这表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。2010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。结果表明，当系统达到稳态时，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达到稳定状态所需的时间稍长。
2016年，Xu等[24]利用有限元方法建立了一个研究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，垂直于其轴线方向使其有向外扩张趋势的应力为拉伸应力。当垂直于平面方向上的剪切应力为零时，材料中产生的最大拉伸应力即为第一主应力。根据von-Mises理论，第一主应力是分析热应力的主要参数模型。当剪切应力为零时，材料中产生的最大压应力即为第三主应力。CFD的计算结果表明，对电池的固定约束加剧了热应力行为。
当顶部和底部都固定的情况下，最大拉伸应力位于连接体线肋部和电解质处，压应力分布在连接体位置。这是由于连接体外部施加的固定约束导致只存在电池单元的内部位移，同时三相界面处发生电化学反应产热引起热膨胀进而对连接体施加压应力，且气体通道无法提供支撑，所以连接体肋下部分存在较大拉伸应力，电解质处由于热膨胀也存在较大拉伸应力。并且同向流情况下的电池内部第一、第三主应力均低于对流情况，这表明同向流情况下热应力较低，并且分布更加均匀。2018年，蔡东根[25]建立了平板式阳极支撑SOFCs的三维模型，模型的准确性得到了现有实验结果的验证，研究了同流、对流和交叉流三种流动方式下电池的温度场及热应力场的分布。
模拟结果表明，同流情况下SOFCs综合性能最好。在流道高度和流道数一定时，增加进气流道宽度，SOFCs进气总量增加，平均电流密度上升，使得电池单元的电化学性能提高，同时也可以降低SOFCs最大等效应力和形变位移值，提升其结构性能;在流道高度和总进气量一定时，减少流道数，SOFCs平均温度降低，温度梯度减小，平均电流密度降低，电化学性能变差;在流道宽度和流道数一定时，增加进气流道高度，SOFCs总进气量加大，平均电流密度增加，有利于提升SOFCs的电化学性能。
2019年，Kim等[26]针对固体氧化物燃料电池单电池进行了计算研究，基于阳极-基板平板式SOFCs构建了三维数值模型在同流、逆流和交叉流情况下考察了与热力学势及过电位等相关性能分布。其中，设置模型的反应区域为0.01m2(0.1m×0.1m)，PEN结构厚度为5.36mm。计算结果表明：同向流、对流和交叉流情况下的最高温度分别为851℃、850℃和855℃，温度标准差分别为12℃、15℃和14℃。因此，同向流结构比其他流动配置具有更均匀的温度分布，其峰值温度略高于逆流配置。根据Peksen对SOFCs三种不同工况的模拟结果，温差越小，热机械性能越好[27]。SOFCs电堆得到大规模商用需要尽量使电堆内部温度分布均匀，同时也要控制电池单元内部热应力，避免由于热应力分布不均匀或者局部热应力过大对电堆结构完整性造成损坏。
综上所述，同向流设计具备最均匀的温度分布，这是由于燃料和空气沿同一方向穿过电池，反应较为充分均匀;逆流结构中空气和燃料反向流动，该结构具有最高的效率和较高的局部温度梯度;交叉流设计中空气和燃料通道的路径相互垂直，在系统的歧管设计和气体线路布置方面具有显著优势，但交叉流温度分布特性较差。实际应用中需要综合考虑到热应力分布、反应效率及制造工艺，选取最为合适的流动结构。
1.3流场的进气排气方向
通常，SOFCs流场中进气出气方向之间的关系可以是出口气体流向与进口气体相反方向的U型进出气口配置，或者是入口和出口气流方向相同的Z型进出气口配置[28]。研究者们针对不同进出气口方向下电池流场所表现出的各方面性能进行了相应的研究。
2009年，Mustata等[29]论证了在简化工况下对300W质子交换膜燃料电池堆栈内部全空气流动进行数值模拟的可能性和意义，并且通过比对现有实验数据验证了模型的准确性。进出气口U型和Z型配置下双极板入口质量流量分布显示Z型配置下入口处质量流量分布均匀性更佳。2014年，Imbrioscia等[30]为得到较好的流场速度均匀性针对Z型配置进出气口平行流道进行了不同的设计。并且在歧管宽度恒定的情况下改变歧管的深度与流道的宽度，得到了两种均匀性较好的设计(见图10)，其不均匀系数分别为0.16和0.23。两种设计下电池单元内部应力场分布较为均匀，说明电化学反应进行较为均匀，产生热效应分布较好。但是新型设计相对传统设计其制造成本更高。2015年，Wang等[31]开发了一种用于评估U型配置结构下流量分布和压降的均匀性的离散方法，比较了U型配置和Z型配置之间的区别。这项研究定义了控制流场分布的结构参数：
(1)M，流道面积与进气头面积之和的比值;(2)ζ，流道的平均水头损失系数。研究还发现，减小M或者增大ζ进行设计可以提高电池堆栈流场分布的均匀性，当进一步选取较小的M以及较大的ζ时，U型配置下的流场分布均匀性优于Z型配置下的流场分布均匀性。当ζ增大或M减小时，U型和Z型之间的差距减小，但是，当M减小或ζ增大时，Z型比U型对结构参数的变化更敏感，并且比U型更快地实现均匀的流量分布。前期相关研究多集中于U型与Z型配置单电池结构，但是在较大的叠加规模上的相关实验与研究成果却较少。近年来研究者们逐步开展基于不同结构大规模电堆的相关研究。
2019年，Zou等[32]基于Z型和U型两种典型配置的30层堆栈采用数值模拟方法研究了电堆的阴极流动特性。仿真结果表明，对于SOFCs的空气侧流动，U型配置下各层的流动供给由下至上逐渐减少，流体主要聚集在输入侧下层。Z型配置下各层的流量供给由下至上逐渐增大。流体主要分布在输入侧上层。这两种结构在流动和散热方面都有所不足。在实际应用中，可以根据其分布规律进行优化设计，以克服其不足。
2020年，Huang等[33]基于一个200单元质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)电堆开发了一个新的实验装置来验证CFD模型，并且实验结果与模拟结果表现出了较好的一致性。该电堆具有较薄的冲压双极板和250cm2的有效面积，计算结果显示U型配置下质量流量偏差随着与入口距离的增加而增大，Z型配置则与之相反。与U型配置相比，Z型配置显示出极不均匀的质量流量;并且U型配置的整体压降低于Z型配置，U型和Z型配置下电池的电压标准差分别为7mV和20mV。这表明Z型配置内电化学反应进行程度各处分布更为不均，不利于电池的长期工作。
综上所述，通常情况下，电堆U型配置比Z型配置的流量分布更均匀，但是增大电堆所有通道面积之和与进气管总面积之比等物理量将使得两种流场类型性能接近，同时Z型配置表现出了对电堆结构参数变化的更强的适应性。针对部分研究出现相反的结论的情况，可能是由于不同研究者对模型做出的简化和假设不同，缺乏实验数据验证导致模型失去真实可靠性。目前，传统的U型Z型配置下电池流场速度均匀性有待提高，可以从离散方法入手控制歧管的宽度，使得流场进气更加均匀。
1.4气道的布置方式和几何要素
为了产生足够高的输出电压，电池单元堆叠形成电堆，各单元在电流回路上形成串联结构，这也带来了一些技术上的难题。例如，反应气体必须能够在每个电池的任一侧流动，但电池单元之间又必须保持电接触。此外，反应气体不能泄漏到周围环境中，或与电池单元相反侧反应气体混合。这些功能往往通过电堆内部连接体实现。针对内气道设计，连接体内部通道还具备导入原料气体和收集废气的功能。外气道设计则与之相反，其侧盖靠着电池堆和隔板放置。这两种技术解决方案各有优缺点，不同应用环境下的优劣仍有待确定。
1.5电堆的纵向物理场分布
电池片堆叠形成堆栈存在一些平面维度上的问题，而在纵向维度上也存在着物理场分布的不同特性。例如，在温度场的分布上，电池堆栈中位于中间位置的电池单元由于上下两侧均与其他电池单元接触导致边界处散热受阻，反而受到其他单元反应放热的影响被加热，进一步加剧了中间电池单元与周围环境温差，形成局部高温区域。在电流密度的分布上，电堆单元的平均电流密度要小于单电池的电流密度。
一方面，这是因为电堆的堆叠结构降低了反应气体利用率，使得每个单元参与反应的气体量减小，电流密度下降;另一方面，是因为相邻两片单电池接触面上存在接触电阻。综上所述，进行电堆纵向上的物理场分布特性研究十分有必要。2015年，Li等[43]利用CFD工具FLUENT，结合内部开发的外部子程序，对30单元的平板式SOFCs堆进行了建模。电堆内的温度分布结果显示，沿电堆高度方向存在较大的温度梯度。电堆与环境之间的热交换对温度场影响显著，最高温度出现在中间单元，最低温度出现在顶部和底部单元。电堆高度方向的压降分布变化不大。
2017年，Yu等[44]采用超薄K型热电偶，直接测量了三种电堆的内部温度分布。他们设计了控制环境温度与预重整气流温度的系统，针对由两个30单元电堆组成的电池组，电池单元中间温度最高，顶部温度次之，底部温度最低。当控制外部温度为750℃时，入口区域中间部分温度最高，为768℃。且顶部与底部的温差可以控制到小于45℃。2020年，刘昊锟[45]对电堆尺度的SOFCs模型进行模拟分析。将改进后的电堆叠串联成电堆，对电堆进行模拟分析，与单片电池的模拟结果对比。分析比较了3片电池电堆与单片电池输出性能的差异。随后增加电堆中电池数量，发现3片和5片电池片组成的电堆各层之间氢摩尔分数分布几乎没有区别。
实际运用中SOFCs的运用是以多单元组合形成的电堆形式出现，多电池片的堆叠结构使得针对电堆高度方向上的物理场分布研究显得十分必要。目前，局限于模拟设置以及实验条件，研究者们主要针对单元数目较少的电堆进行模拟。研究结果显示，物理场变化不明显或是得出电堆某一部分出现温度较高的情况。针对这种现状，需要增加电堆单元数，进一步探究出现物理场分布不均的机理，规避这种情况对实际电堆的损害。
2SOFCs流场优化设计
传统的平行气道模式可能会因为边界条件的变化，比如供气流量降低，导致许多气道内部的燃料气没有充分反应，而一些新型设计可以保证气体的充分反应。随着高强度连接体材料的充分发展和制造成本的降低，这将成为今后SOFCs优化设计的一个趋势。
2.1流道结构的优化
在阳极流道优化设计方面，Danilov等[46]提出了SOFCs阳极流场的新方案，并建立了三维数值模型，考虑了多种燃料组分与气体的内部重整以体现流场设计、内部重整反应和电极反应对SOFCs性能的影响。模拟结果表明，在常规阳极流场设计中，入口歧管中存在气体回流，以及速度、温度、电流密度的非均匀分布。
同时由于入口截面窄、流速大有利于快速重整反应。与常规设计相比，新型设计入口氢的浓度较高，电化学反应性能得到了提高。新型阳极流场设计则具有更均匀的流场参数分布，这使得SOFCs的效率与性能大大提高。该模型有望用于今后的流场设计和结构优化中。2010年，Suresh等[47]设计了一种改进的蛇形流场。这种流场的总体压降较低，从而减少了由于反应气体通过流场而引起的输出功率损耗。反应物均匀分布于整个电池活性区域，且相邻的蛇形通道之间缺氧的部分可以得到氧气补充，反应更加充分，相应的电场温度场分布更加均匀，电池性能相较单蛇形流场结构更好。
2.3损失更小的歧管设计
2010年，Bi等[39]采用计算流体力学的方法对大尺寸平面固体氧化物燃料电池(planarSolidOxideFuelCells,pSOFCs)的U型并联通道进行了系统优化。优化后的几何参数包括入口歧管和出口歧管截面的长宽比以及出口歧管宽度与进口歧管宽度之比(α)等。CFD计算表明，在pSOFCs中，为了保证空气和燃料的流动均匀性，需要一个合适且相对较大的歧管宽度，使得优化后沿着歧管的流动摩擦和压降更小，能量损失更小。
2014年，Jackson等[54]对Z型SOFCs的流道歧管进行了优化，降低了进入平行直通道中气体流场的不均匀性。研究者们运用离散方法来评估流量分配不均，推导了增加歧管宽度的函数关系，并且验证了离散方法的准确性，通过优化设计减少了寄生损失压降和流量分配不对称性。2014年，Dey等[55]在入口和出口歧管区添加了边长为1.5mm的方形柱体，通过增加气体的扰动使得流场进气更加均匀。
2016年，Duhn等[56]设计了一种新型的气体分布器。这种气体分布器位于入口歧管区，可以改善设计固有的流量分配不均，将气流均匀分配到平行直通道中。通过改变分布器的几何参数wcc、β(β=wsc/wcc)、wb实现优化设计，最终可使得流动均匀性指数最终达到0.978。
2.4数值模型的优化
随着CFD技术的发展与计算机的广泛应用，建立数值模型，对SOFCs进行CFD模拟可以高效地预测其性能与参数分布，为后续的实验以及进一步优化等工作提供重要参考。研究者们利用软件工具不断建立并完善三维数值模型，使其更加符合现实情况。早期的燃料电池建模往往假设电池运行过程中内部所有电池单元状态是一样的，只针对一个电池单元进行建模。事实上，由于电池工作时相应边界条件的不同，所处物理位置不同的电池单元状态是不同的。
1995年，曹广益等[57]针对同向流熔融碳酸盐燃料电池进行建模，假设存在平面的二维温度分布，并运用加权残差法求解整机方程。且模型中许多参数使用的是稳态条件下的实验值，存在许多理想化的假设与简化。显然，这种建模方式具有很大的局限性，后续学者选择针对电池实际工作情况下的细节(如电池内部气体流动状况)进行建模分析。2005年，汤根土等[58]对单电池模型进行仿真分析，对内部气体流动与分布进行了较为细致的研究。结果表明，电池内部的反应物浓度与电流密度对电池浓度过电势有着重要影响，增大阳极厚度，可以降低电池过电势。
3总结与展望
发展和优化SOFCs流场形式和布局是提高其性能、稳定性及寿命的一大重要手段。研究们从流场的几何构型、流动结构、进气排气方向、气道的布置与几何设计入手开展了许多相关性研究。目前，流场设计均匀程度普遍不高，物理量分布不均，当下研究热点是通过优化设计找到更符合流动特性的气道设计、损失更小的歧管设计，并推进肋形结构的优化与数值模型的完善。对于SOFCs的流场优化设计，仍有许多问题值得继续探索。
(1)SOFCs在不同复杂工况下的流场分析与优化。首先，SOFCs工作参数的不同，如SOFCs工作的最适环境温度与压强;其次，SOFCs的燃料组分不同，物理特性和反应特性与纯氢气差异较大。例如：重整反应的产物不仅有CO，还有CO2，需将高温条件下的重整反应考虑进SOFCs的仿真计算中，并加入到化学模型中。
(2)模型对象的选择。目前，研究者们所建模验证的部分是单电池，与实际应用的电堆物理场分布存在差异，因此，模型建立应采用电堆。此外，模拟电堆过程中往往假设的是电堆在正常工作条件下展开，而实际应用中的电堆工作在高温环境下，长时间的运行必然使得电堆出现性能衰减或故障情况，出现衰减和故障后，各物理场的分布及变化趋势也是未来值得研究的方向。(3)关于模型计算的验证。需要通过合理的电堆测试程序对各参数进行表征，以便得到科学的结果，来对模拟仿真的模型进行校正，并对结果进行验证。
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作者：白虎1，冯宇1，叶晓峰2，冷志忠1，张博1，周娟1
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