固體氧化物燃料電池圓柱形肋的優化

李明瀚　高祥　張強

摘 要：文章針對電解質支撐的固體氧化物燃料電池（SOFC），建立了一個三維的數學模型，然后基于此模型，分析了陽極和陰極rib對氣體濃度分布和電勢分布的影響。同時還進一步分析了陽極和陰極rib與電池輸出電流密度的關系，并分別給出了最優的陽極和陰極rib尺寸。

關鍵詞：固體氧化物燃料電池；電解質支撐；圓柱形連接體

1 概述

固體氧化物燃料電池（SOFC）具有全固態結構、燃料靈活、不需要昂貴的催化劑等優點，被認為是21世紀最有應用前景的新能源技術[1]。在實際應用中，單電池的性能遠遠滿足不了實際需求，因此必須把多個單電池通過連接體材料以串聯或并聯的方式組裝成電池堆。但是根據試驗報道，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，對其優化設計顯得尤為重要。連接體與電極接觸的部分稱為rib，起到集流的作用。Lin等人[3]給出了陽極支撐的SOFC中rib與濃度損失、歐姆損失之間的對應關系，并根據此對應關系得到了最優的rib值；Kong等人[4]對陰極支撐SOFC的陽極rib和陰極rib分別進行了優化，并給出了擬合公式。Kornely等人[5]通過實驗對陽極和陰極rib對SOFC性能的影響分別進行了探討，結果發現陽極rib尺寸對SOFC的影響可忽略不計，但因為實驗樣本太少，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，并與傳統的連接體在單電池和電堆以及強制對流與自然對流方面進行了比較，并且針對圓柱形連接體尺寸做了進一步優化。

然而需要指出的是，目前對圓柱形連接體的研究主要是針對陽極支撐和陰極支撐的SOFC的優化，對于電解質支撐的SOFC圓柱形連接體的優化尚未發現。因此，有必要對電解質支撐的SOFC圓柱形連接體做進一步的研究，以探究圓柱形連接體尺寸對電池堆性能的影響，來獲得的更高的輸出功率。

2 模型

物理模型：在文章的研究中，建立了一個三維電解質支撐平板式SOFC。模型主要由陽極、電解質、陰極以及連接體組成，考慮的控制方程有質量守恒方程、電荷守恒方程和電化學反應。

3 結果與討論

當陽極圓柱形連接體rib的半徑為1mm時，電池的最小H2濃度為7.6mol m3。當陽極圓柱形連接體rib的半徑為2mm時，電池的最小H2濃度為4.1mol m3。因此陽極圓柱形連接體rib半徑越大，越不利于H2的擴散。當陰極連接體rib的半徑為1mm時，由陰極引起的電壓降為0.0747V。當陰極連接體rib的半徑為2mm時，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。當陽極rib尺寸為1.9 mm時，電流密度達到最大值，最大值為2233.5A/m2。也就是說，存在一個陽極rib尺寸，可以使電流密度達到最大值。類似，當陰極rib尺寸為1.6mm時，電流密度達到最大值，最大值為2212.5A/m2，與陽極最優rib尺寸1.9 mm不同。

4 結束語

文章主要對電解質支撐SOFC的圓柱形連接體結構進行了分析。結果表明，電池的性能與rib尺寸有很大的關系。對于圓柱形連接體來說，rib尺寸對氣體濃度分布、電勢分布有很大的影響。同時，存在一個最優的rib尺寸可以使得電池的輸出功率最大，但由于陽極和陰極自身特性的不同，導致其最優rib尺寸也不相同。

參考文獻

[1]王曉紅，黃宏，等譯.燃料電池基礎[M].北京：電子工業出版社，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.

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