固體氧化物燃料電池圓柱形肋的優(yōu)化

李明瀚　高祥　張強(qiáng)

摘 要：文章針對(duì)電解質(zhì)支撐的固體氧化物燃料電池（SOFC），建立了一個(gè)三維的數(shù)學(xué)模型，然后基于此模型，分析了陽(yáng)極和陰極rib對(duì)氣體濃度分布和電勢(shì)分布的影響。同時(shí)還進(jìn)一步分析了陽(yáng)極和陰極rib與電池輸出電流密度的關(guān)系，并分別給出了最優(yōu)的陽(yáng)極和陰極rib尺寸。

關(guān)鍵詞：固體氧化物燃料電池；電解質(zhì)支撐；圓柱形連接體

1 概述

固體氧化物燃料電池（SOFC）具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、燃料靈活、不需要昂貴的催化劑等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有應(yīng)用前景的新能源技術(shù)[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，單電池的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了實(shí)際需求，因此必須把多個(gè)單電池通過(guò)連接體材料以串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝成電池堆。但是根據(jù)試驗(yàn)報(bào)道，電池堆的最好的性能也只有單電池的一半左右[2]。

連接體作為連接單電池組成電池堆的重要組成部分，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。連接體與電極接觸的部分稱(chēng)為rib，起到集流的作用。Lin等人[3]給出了陽(yáng)極支撐的SOFC中rib與濃度損失、歐姆損失之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系得到了最優(yōu)的rib值；Kong等人[4]對(duì)陰極支撐SOFC的陽(yáng)極rib和陰極rib分別進(jìn)行了優(yōu)化，并給出了擬合公式。Kornely等人[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)陽(yáng)極和陰極rib對(duì)SOFC性能的影響分別進(jìn)行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極rib尺寸對(duì)SOFC的影響可忽略不計(jì)，但因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣本太少，因此不具有普遍性。Li[6]等人提出了一種離散式柱形連接體，并與傳統(tǒng)的連接體在單電池和電堆以及強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流方面進(jìn)行了比較，并且針對(duì)圓柱形連接體尺寸做了進(jìn)一步優(yōu)化。

然而需要指出的是，目前對(duì)圓柱形連接體的研究主要是針對(duì)陽(yáng)極支撐和陰極支撐的SOFC的優(yōu)化，對(duì)于電解質(zhì)支撐的SOFC圓柱形連接體的優(yōu)化尚未發(fā)現(xiàn)。因此，有必要對(duì)電解質(zhì)支撐的SOFC圓柱形連接體做進(jìn)一步的研究，以探究圓柱形連接體尺寸對(duì)電池堆性能的影響，來(lái)獲得的更高的輸出功率。

2 模型

物理模型：在文章的研究中，建立了一個(gè)三維電解質(zhì)支撐平板式SOFC。模型主要由陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極以及連接體組成，考慮的控制方程有質(zhì)量守恒方程、電荷守恒方程和電化學(xué)反應(yīng)。

3 結(jié)果與討論

當(dāng)陽(yáng)極圓柱形連接體rib的半徑為1mm時(shí)，電池的最小H2濃度為7.6mol m3。當(dāng)陽(yáng)極圓柱形連接體rib的半徑為2mm時(shí)，電池的最小H2濃度為4.1mol m3。因此陽(yáng)極圓柱形連接體rib半徑越大，越不利于H2的擴(kuò)散。當(dāng)陰極連接體rib的半徑為1mm時(shí)，由陰極引起的電壓降為0.0747V。當(dāng)陰極連接體rib的半徑為2mm時(shí)，由陰極引起的電壓降為0.0407V。因此陰極圓柱形連接體半徑越大，陰極引起的電壓降就越小。

從圖1可以看出，隨著rib尺寸的增加，電池輸出電流密度先增大后減小。當(dāng)陽(yáng)極rib尺寸為1.9 mm時(shí)，電流密度達(dá)到最大值，最大值為2233.5A/m2。也就是說(shuō)，存在一個(gè)陽(yáng)極rib尺寸，可以使電流密度達(dá)到最大值。類(lèi)似，當(dāng)陰極rib尺寸為1.6mm時(shí)，電流密度達(dá)到最大值，最大值為2212.5A/m2，與陽(yáng)極最優(yōu)rib尺寸1.9 mm不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章主要對(duì)電解質(zhì)支撐SOFC的圓柱形連接體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，電池的性能與rib尺寸有很大的關(guān)系。對(duì)于圓柱形連接體來(lái)說(shuō)，rib尺寸對(duì)氣體濃度分布、電勢(shì)分布有很大的影響。同時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的rib尺寸可以使得電池的輸出功率最大，但由于陽(yáng)極和陰極自身特性的不同，導(dǎo)致其最優(yōu)rib尺寸也不相同。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉紅，黃宏，等譯.燃料電池基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]KIM J W， VIRKAR A V， FUNG K Z， et al. Polarization effects in intermediate temperature， anode-supported solid oxide fuel cells [J].J Electrochem Soc， 1999，146（1）：69-78.

[3]LIN Z， STEVENSON J W， KHALEEL M A. The effect of interconnect rib size on the fuel cell concentration polarization in planar SOFCs [J]. J Power Sources， 2003， 117（1-2）： 92-7.

[4]KONG W， GAO X， LIU S， et al. Optimization of the Interconnect Ribs for a Cathode-Supported Solid Oxide Fuel Cell [J]. Energies， 2014， 7（1）： 295-313.

[5]KORNELY M， LEONIDE A， WEBER A， et al. Performance limiting factors in anode-supported cells originating from metallic interconnector design [J]. J Power Sources， 2010.

[6]P. W. Li， S. P. Chen， M. K. Chyu. A Novel Approach for Distribution of Reacting Gases with Enhanced Mass Transfer in Fuel Cells. International Mechanical Engineering Congress and Exposition， 2004.

[7]JI Y， YUAN K， C HUNG J， et al. Effects of transport scale on heat/mass transfer and performance optimization for solid oxide fuel cells [J]. J Power Sources， 2006， 161（1）：380-91.