如图3所示为同一工况下(0.8 A cm-2),三种流道的电流密度分布云图。由图可见,平行蛇形流道中由于气体需要经过多次的转弯回折,压力损失较大,且下游区域反应气体浓度很低,电池上下游之间电流密度的均匀性很差。由于分配区的加入,点阵平行流道有效的改善了阴极进口区域的气体拥挤现象,高电流密度区域聚集在阴极进口的现象消失,下游区域反应气体分布的均匀性增加。
图 3 不同阴极流场电池的电流密度分布
(a) 平行蛇形流场 (b) 平行流场 (c) 点阵平行流场
如图4所示为不同负载时三种流场的电流密度均匀性对比,从σc 的数值上可以明显看出,当电流负载为0.2 A cm-2时,电池的电流密度均匀性较好,且不同流道的差异性很小;以平行蛇形流道为例,随着负载的增加σc从4.6增大为44.5,电流密度的均匀性变差。且在不同的负载下,平行蛇形流道的电流密度均匀性都最差;在中高电流密度工况时,点阵平行流道σc最小,电流密度分布的均匀性最好。
(a) 0.2 A cm-2 (b) 0.6 A cm-2 (c) 1.0 A cm-2 (d) 1.4 A cm-2.
如图6所示为图5对应不同负载下电池的温度分布云图。温度分布的结果受到加热装置的均匀性、电化学反应的均匀性以及电池与周围环境换热的影响。局部电流的大小对应电池不同区域电化学反应的差异性,并且与电池自身的产热量成正比;此外由于电池与周围存在热交换,因此在相同的产热条件下,靠近电池边缘的区域温度较低。可以发现小电流密度时温度分布与电流分布云图一致性较好,高温区域处于电池下游区域,并且随着电流负载的增加,温度分布云图上的高温区域也同样出现了向阴极进口区域迁移的趋势,并且在电流密度到达1 A cm-2左右时,高温区域稳定在了靠近阴极进口的上游区域,结合电流密度分布的结果进行分析,这是因为此时高电流区域位于进口区域,因此进口区域产热较多,其次由于电池不同位置存在温度梯度以及和周围环境存在热交换,因此电池的中心区域温度较高,温度分布的结果是电池不同区域产热与换热的综合作用结果。
图6 不同电流负载时的温度分布
(a) 0.2 A cm-2 (b) 0.6 A cm-2 (c) 1.0 A cm-2 (d) 1.4 A cm-2