固体氧化物燃料电池圆柱形肋的优化

李明瀚　高祥　张强

摘 要：文章針对电解质支撑的固体氧化物燃料电池（SOFC），建立了一个三维的数学模型，然后基于此模型，分析了阳极和阴极rib对气体浓度分布和电势分布的影响。同时还进一步分析了阳极和阴极rib与电池输出电流密度的关系，并分别给出了最优的阳极和阴极rib尺寸。

关键词：固体氧化物燃料电池；电解质支撑；圆柱形连接体

1 概述

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有全固态结构、燃料灵活、不需要昂贵的催化剂等优点，被认为是21世纪最有应用前景的新能源技术[1]。在实际应用中，单电池的性能远远满足不了实际需求，因此必须把多个单电池通过连接体材料以串联或并联的方式组装成电池堆。但是根据试验报道，电池堆的最好的性能也只有单电池的一半左右[2]。

连接体作为连接单电池组成电池堆的重要组成部分，对其优化设计显得尤为重要。连接体与电极接触的部分称为rib，起到集流的作用。Lin等人[3]给出了阳极支撑的SOFC中rib与浓度损失、欧姆损失之间的对应关系，并根据此对应关系得到了最优的rib值；Kong等人[4]对阴极支撑SOFC的阳极rib和阴极rib分别进行了优化，并给出了拟合公式。Kornely等人[5]通过实验对阳极和阴极rib对SOFC性能的影响分别进行了探讨，结果发现阳极rib尺寸对SOFC的影响可忽略不计，但因为实验样本太少，因此不具有普遍性。Li[6]等人提出了一种离散式柱形连接体，并与传统的连接体在单电池和电堆以及强制对流与自然对流方面进行了比较，并且针对圆柱形连接体尺寸做了进一步优化。

然而需要指出的是，目前对圆柱形连接体的研究主要是针对阳极支撑和阴极支撑的SOFC的优化，对于电解质支撑的SOFC圆柱形连接体的优化尚未发现。因此，有必要对电解质支撑的SOFC圆柱形连接体做进一步的研究，以探究圆柱形连接体尺寸对电池堆性能的影响，来获得的更高的输出功率。

2 模型

物理模型：在文章的研究中，建立了一个三维电解质支撑平板式SOFC。模型主要由阳极、电解质、阴极以及连接体组成，考虑的控制方程有质量守恒方程、电荷守恒方程和电化学反应。

3 结果与讨论

当阳极圆柱形连接体rib的半径为1mm时，电池的最小H2浓度为7.6mol m3。当阳极圆柱形连接体rib的半径为2mm时，电池的最小H2浓度为4.1mol m3。因此阳极圆柱形连接体rib半径越大，越不利于H2的扩散。当阴极连接体rib的半径为1mm时，由阴极引起的电压降为0.0747V。当阴极连接体rib的半径为2mm时，由阴极引起的电压降为0.0407V。因此阴极圆柱形连接体半径越大，阴极引起的电压降就越小。

从图1可以看出，随着rib尺寸的增加，电池输出电流密度先增大后减小。当阳极rib尺寸为1.9 mm时，电流密度达到最大值，最大值为2233.5A/m2。也就是说，存在一个阳极rib尺寸，可以使电流密度达到最大值。类似，当阴极rib尺寸为1.6mm时，电流密度达到最大值，最大值为2212.5A/m2，与阳极最优rib尺寸1.9 mm不同。

4 结束语

文章主要对电解质支撑SOFC的圆柱形连接体结构进行了分析。结果表明，电池的性能与rib尺寸有很大的关系。对于圆柱形连接体来说，rib尺寸对气体浓度分布、电势分布有很大的影响。同时，存在一个最优的rib尺寸可以使得电池的输出功率最大，但由于阳极和阴极自身特性的不同，导致其最优rib尺寸也不相同。

参考文献

[1]王晓红，黄宏，等译.燃料电池基础[M].北京：电子工业出版社，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.