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文档简介
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
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