平板型固体氧化物燃料电池内温度分布规律

01实验方法1.1

单电池测试系统SOFC测试系统由SOFC装配体、供气系统、高温炉和燃料电池测试平台组成。实验用SOFC为宁波索福人公司生产的平板型阳极支撑型SOFC，规格为100mm×100mm，阳极为Ni+YSZ（氧化亿稳定的氧化锆），电解质为YSZ+GDC（氧化钆掺杂的氧化铈）阻隔层，阴极为LSCF(LaSrCoFeO3)+GDC。利用单片SOFC进行温度分布研究，SOFC装配结构如图1所示。图1

测试SOFC的装配结构Fig.1

StructureofSOFCtestcell电池密封框基于一种玻璃材料，通过高温软化后连接金属基板与电池，实现密封。实验需要用到氮气、氢气和空气，空气由空气压缩机供应，氮气与氢气由钢瓶压缩气供应，通气量由质量流量计控制。SOFC装配体置于高温炉中预热。电池装配体两端分别引出电流线和电压线至测试站，实现对电池开路电压监测、性能测试和恒流放电等目的。1.2

温度分布测试方法SOFC温度分布测试选用OMEGA公司生产的K型热电偶(型号为TJC36-CAXL-020U-18，探针直径为0.5mm)，其最大误差值为±2.2℃。将热电偶布置于SOFC阳极气体流道中，参见图1，实验中流道深度为0.5mm,与热电偶直径大小基本一致，热电偶与电池之间仅隔着一层0.2mm集流镍网，近似于将热电偶附在电池表面，增加了测温的准确性。为避免热电偶对电池的密封造成影响，这里增加了阳极侧密封框厚度。热电偶测量连接Agilent记录仪，采集测试过程的温度数据。实验中采用2种不同的流场结构，研究流场结构和电流密度对SOFC温度分布影响，分别命名为夹具A和夹具B，其热电偶测温点布置如图2所示，各测点大致坐标如表1所示。图2

夹具A、夹具B热电偶测温点位置和夹具B热电偶实际布置Fig.2

ThepositionoftemperaturemeasurementpointsinthecellAandcellBandthephotoofthermal-couplearrangementinthecellB本实验中热电偶从夹具侧面深入到电池中，热电偶测点增多会增加侧面漏气的风险，因此针对不同夹具对热电偶布置进行了优化。夹具A为内歧管式结构，流道宽为5.5mm，电池有效活性面积为65mm×85mm，气体为2个入口1个出口，阳极和阴极气体为逆流流动，因此在阳极入口和出口分别布置3个热电偶测点，在电池中心布置2个对称的测点。夹具B为外歧管式结构，流道宽度为1.5mm，电池有效活性面积为90mm×90mm，由于气体为单进单出，入口和出口为对称布置，流道为平行流道，阳极和阴极气体可逆流通入，也可顺流通入；根据气体入口和出口的对角布置，热电偶测点采用对角布置，分别在阳极和阴极入口与出口4个角点布置热电偶温度测点，同时在中心布置1个热电偶温度测点，此外分别在阳极和阴极气体入口处布置测点，以监测气体入口处温度变化。表1

夹具A和B测温点坐标Table1

RelativecoordinatesoftemperaturemeasuringpointsincellAandcellB实际测试过程中，单电池的发热量远小于电炉，而夹具为导热率很高的金属结构，因此电池内温度分布受炉膛影响很大。为减小电炉对测试结果的影响，本文采用保温材料将夹具包裹，降低电炉向电池的传热，实现近似绝热的工作环境，如图3所示。实验中在电池上下盖板采用硅酸铝保温板保温，电池四周采用保温石棉包裹。实验时，将保温后的测试装置放入炉膛中，炉膛以2℃/min升温速率，升至操作温度750℃；气体在炉膛中通过盘管加热后进入电池内，电池主要由热气体预热到工作温度。SOFC运行期间，氢气和空气的流量分别保持为300mL/min和1200mL/min。图3

测试电池采用保温材料包裹照片Fig.3

Thephotooftestcellpackedbyinsulatedmaterials02实验结果与讨论2.1

电池性能表征采用夹具A在逆流通气下进行单片SOFC测试，研究插入热电偶前后SOFC性能变化，测试中阳极通入300mL/min氢气，阴极通入1200mL/min空气（空气过量系数为1.6），结果如图4所示。可以看出，插入热电偶前后电池的输出性能相差不大，未插入热电偶时，工作电压0.7V对应电池功率密度约为343mW/cm2，工作电压0.6V对应电池功率密度约为372mW/cm2；插入热电偶后，工作电压0.7V对应电池功率密度约为414mW/cm2，工作电压0.6V对应电池功率密度约为410mW/cm2。以上实验结果表明，阳极插入热电偶对电池性能影响较小，可用于分析实际情况下电池内温度分布规律。此外本次实验电池0.7V时的功率密度约为400mW/cm2，略低于文献[28]中的数据，可能与采用测试系统有关，但不影响温度分布的结果。图4

热电偶插入前后SOFC的性能曲线Fig.4

PerformancecurvesofSOFCbeforeandafterthermocoupleinsertion2.2

测试电池保温与否对SOFC温度分布影响实验采用夹具A，气流为逆流布置。图5为炉膛温度750℃，电池以24A恒流放电时，电池内温度的变化规律。其中图5a）为电池未保温，图5b）为电池采用保温材料包裹后的结果。电池开始恒流放电后，由于电池内部产热，电池内温度逐渐上升到一个新的平衡温度，电池内的温度均大于炉膛温度。比较二者可知，电池保温后的稳定时间远大于未保温电池，且保温电池温升远大于未保温电池，保温后电池最大温升达30℃，而未保温电池最大温升为10℃。在相同气体流量和入口温度下恒流放电，保温电池产热量应略低于未保温电池（工作温度高），但其出口气体温度高于未保温电池，可知其热量更多由气体吸收并携带出电池。因此电池保温后可以有效抑制电池向炉膛外传热，形成一定的隔热效果，有利于进一步分析实际电堆内温度分布规律。图5

夹具不保温时和保温时电池24A恒流放电过程中各测点温度变化Fig.5

Thetemperaturevariationsofeachmeasuringpointinthedischargingprocessofthecellsetatconstantcurrent24Awhenthecellisopenorcoveredbyinsulatedmaterials图6为温度稳定后，电池内各测点温度分布结果。保温后电池内平均温度比未保温高约20℃以上，比炉膛温度高约30℃。电池和炉膛温差的增大表明，电池保温后，更多的产热量是通过热气体带走，而不是通过与炉膛的换热，这一传热方式与电池在实际电堆内相同。因此保温后，电池内温度分布应与实际电堆内温度分布相似，此实验方法可以通过单电池测量来分析电堆内温度分布规律。图6

夹具保温前后电池以24A电流放电测点温度稳定值Fig.6

Thedistributionofsteadytemperatureinthecellbeforeandafterthecelliscovered通过比较保温前后结果，可以发现电池内最大温差差别不大。未保温时，电池内最大温差为5℃，保温后最大温差也为5℃，且电池内最高温度均在阳极气体出口处，最低温度均在阳极气体入口处。保温后的温差与实际电堆内的最大温差不一致，当炉膛温度为750℃时，气体入口温度也为750℃，而测试电池最高温度为782℃，其温差可达32℃。通过比对多次试验数据，温差较小的原因包括：1）电池金属流场板较厚，本实验流场板厚度约为20mm，远大于实际双极板的厚度（典型的3mm左右），由于金属的高热导率，流场板的侧向传热对电池温度具有很强的均匀左右；2）实验电池侧面保温不足，由于流场板侧面焊有进气管道和气体预热盘管，侧面采用保温棉缠绕保温，其保温效果较差，且流场板侧面面积较大，使得电池不能与外界实现较好的绝热。这两个原因的综合影响使得电池内温差并不明显。综合以上结果可知，电池保温后可以有效降低电池与电炉间的换热，减少电炉对电池内温度测量的影响。这一方法有望模拟实际电堆内单电池的换热条件，可直接用于研究实际电堆内温度分布规律，进而大大降低实验测量难度和成本。但是，本实验结果电池内的温度分布仍然与实际电堆内结果不一致，其原因应是单电池双极板较厚和侧面保温不足，但并不影响该方法的可行性。2.3

电流密度对SOFC温度分布的影响基于上述保温方法，采用夹具A研究不同输出电流密度对SOFC内温度分布影响。图7为电池分别以18A、24A和30A电流稳定放电，测点温度稳定时，各测点温度值。电池以18A电流稳定放电时，电池测点温度为772~777℃；电池以24A电流稳定放电时，电池测点温度为777~782℃；电池以30A电流稳定放电时，电池测点温度为792~796℃。可以看出，随着电池放电电流增大，电池表面测点整体温度也会增大，这是由于放电电流增大，电池内产热量增加，同时采用保温，电池与炉膛换热减小，产热量由气体带出，在气体流速不变的情况下，温度会随产热量增加而升高，这与实际电堆结果一致。图7

18A、24A、30A电流稳定放电时，电池内各测点温度分布Fig.7

Thetemperaturedistributionsinthecellatconstantcurrent18A,24Aand30A分析各测点温度分布可知，不同电流密度温度分布规律近似；阳极流道入口区域测点TA-in-1、TA-in-3温度最低，这是由于入口气体的冷却作用，而TA-in-2温度较高，这是由于其背面为阴极气体出口；电池中间区域测点TA-m-1、TA-m-2温度较其他测点温度偏高；流道出口区域测点TA-out-2、TA-out-3温度低于电池中间区域测点温度，这是由于背面阴极气体入口的冷却作用，但其温度并非最低，且TA-out-1温度较高，说明电池内垂直于电池方向存在一定温差。对于不同工作电流下，电池内的最大温差均约为4℃，且电池内的温差集中在电池入口和出口处，说明温差主要是由于入口气体的冷却作用和出口气体的加热作用，而气体导热性差、热容低，使得电池入口局部存在较大的温差。2.4

流场结构对SOFC温度分布影响流场结构是影响电池内温度分布的重要因素，尤其是阳极与阴极气体流道方式。本文采用夹具B研究流场结构对SOFC内温度分布的影响。图8为电池分别在逆流和顺流结构下，以24A电流稳定放电时各测温点的稳定温度值。顺流结构下电池内的平均温度约为769℃，逆流结构下电池内的平均温度为770℃，比炉膛温度高约30℃，表明保温在一定程度上降低了炉膛的影响。图8

顺流结构和逆流结构下电池内各测点温度分布Fig.8

Thetemperaturedistributionsinthecellforco-flowandcounter-flow比较2种流场结构的温度分布特性可知，顺流结构时，温度由入口到出口逐渐增大，最高温度出现在出口处；而逆流结构时，中心温度高，入口温度较低；这一分布特性与文献结果一致，其主要是由于入口气体温度较低对电池具有一定冷却作用，逆流时，阳极和阴极进气分布对出口气体冷却，使得两侧温度较低，中间温度较高。逆流结构下，电池内最大温度为773℃、最小温度为765℃、最大温差4℃；顺流结构下，电池内最大温度为775℃、最小温度为756℃、最大温差19℃。相较于逆流，顺流结构下电池表面温度差更大，电池表面最大温度值更高。这一结果似乎与传统数值计算结果不同，一般结果认为顺流时电池内平均温度较低，相同电压下其平均电流密度要小于逆流结构，因此电池内温差要小于逆流。本实验是在恒定电流密度下测试的，同时顺流时TB-in-2点的温度值明显偏低，除去这一点，电池内各点的温差并不大。从测点温度值分布来看，顺流结构下，除去TB-in-2点，各测点稳定从阳极入口到中部再到出口，温度逐步增加；而对于逆流结果，电池内温度最高点出现在电池中部，入口处和出口处温度均较低，这些结果与文献结果一致。顺流时，TB-in-2的温度值明显偏低可能存在2方面原因：一是背面空气入口的冷却作用；二是其边缘保温效果较差，受炉膛温度影响，TB-in-2点的温度也低于TB-in-1点。由表1可知，夹具B入口和出口处测点距离边缘较近，而电池边缘由于气体管道的影响，保温较差，因此其结果可能从不同程度上受到炉膛温度的影响。比较图7和图8逆流时的结果可知，相同放电电流下，夹具A的平均温度要明显大于夹具B。一方面，可能是由于夹具A的电池活性面积要小于夹具B，夹具A是在更大的电流密度下放电，其产热量要高于夹具B；另一方面，可能是夹具B的保温效果要比夹具A略差。比较温度分布特点，2种夹具在逆流下电池中心处温度总是较高，在气体入口处受到进气的冷却作用局部温度降低，而在气体出口处，排气温度较高，局部温度升高，从而在气体入口和出口局部形成较大的温差，这一局部温差可能会使电池产生局部应力破坏。03结论针对炉膛对平板型SOFC温度分布测试结果的影响，本文提出采用对测试电池保温的方法，从而构建近似绝热的电池工作外