平板型固體氧化物燃料電池內(nèi)溫度分布規(guī)律

01實驗方法1.1

單電池測試系統(tǒng)SOFC測試系統(tǒng)由SOFC裝配體、供氣系統(tǒng)、高溫爐和燃料電池測試平臺組成。實驗用SOFC為寧波索福人公司生產(chǎn)的平板型陽極支撐型SOFC，規(guī)格為100mm×100mm，陽極為Ni+YSZ（氧化億穩(wěn)定的氧化鋯），電解質(zhì)為YSZ+GDC（氧化釓摻雜的氧化鈰）阻隔層，陰極為LSCF(LaSrCoFeO3)+GDC。利用單片SOFC進(jìn)行溫度分布研究，SOFC裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1

測試SOFC的裝配結(jié)構(gòu)Fig.1

StructureofSOFCtestcell電池密封框基于一種玻璃材料，通過高溫軟化后連接金屬基板與電池，實現(xiàn)密封。實驗需要用到氮氣、氫氣和空氣，空氣由空氣壓縮機供應(yīng)，氮氣與氫氣由鋼瓶壓縮氣供應(yīng)，通氣量由質(zhì)量流量計控制。SOFC裝配體置于高溫爐中預(yù)熱。電池裝配體兩端分別引出電流線和電壓線至測試站，實現(xiàn)對電池開路電壓監(jiān)測、性能測試和恒流放電等目的。1.2

溫度分布測試方法SOFC溫度分布測試選用OMEGA公司生產(chǎn)的K型熱電偶(型號為TJC36-CAXL-020U-18，探針直徑為0.5mm)，其最大誤差值為±2.2℃。將熱電偶布置于SOFC陽極氣體流道中，參見圖1，實驗中流道深度為0.5mm,與熱電偶直徑大小基本一致，熱電偶與電池之間僅隔著一層0.2mm集流鎳網(wǎng)，近似于將熱電偶附在電池表面，增加了測溫的準(zhǔn)確性。為避免熱電偶對電池的密封造成影響，這里增加了陽極側(cè)密封框厚度。熱電偶測量連接Agilent記錄儀，采集測試過程的溫度數(shù)據(jù)。實驗中采用2種不同的流場結(jié)構(gòu)，研究流場結(jié)構(gòu)和電流密度對SOFC溫度分布影響，分別命名為夾具A和夾具B，其熱電偶測溫點布置如圖2所示，各測點大致坐標(biāo)如表1所示。圖2

夾具A、夾具B熱電偶測溫點位置和夾具B熱電偶實際布置Fig.2

ThepositionoftemperaturemeasurementpointsinthecellAandcellBandthephotoofthermal-couplearrangementinthecellB本實驗中熱電偶從夾具側(cè)面深入到電池中，熱電偶測點增多會增加側(cè)面漏氣的風(fēng)險，因此針對不同夾具對熱電偶布置進(jìn)行了優(yōu)化。夾具A為內(nèi)歧管式結(jié)構(gòu)，流道寬為5.5mm，電池有效活性面積為65mm×85mm，氣體為2個入口1個出口，陽極和陰極氣體為逆流流動，因此在陽極入口和出口分別布置3個熱電偶測點，在電池中心布置2個對稱的測點。夾具B為外歧管式結(jié)構(gòu)，流道寬度為1.5mm，電池有效活性面積為90mm×90mm，由于氣體為單進(jìn)單出，入口和出口為對稱布置，流道為平行流道，陽極和陰極氣體可逆流通入，也可順流通入；根據(jù)氣體入口和出口的對角布置，熱電偶測點采用對角布置，分別在陽極和陰極入口與出口4個角點布置熱電偶溫度測點，同時在中心布置1個熱電偶溫度測點，此外分別在陽極和陰極氣體入口處布置測點，以監(jiān)測氣體入口處溫度變化。表1

夾具A和B測溫點坐標(biāo)Table1

RelativecoordinatesoftemperaturemeasuringpointsincellAandcellB實際測試過程中，單電池的發(fā)熱量遠(yuǎn)小于電爐，而夾具為導(dǎo)熱率很高的金屬結(jié)構(gòu)，因此電池內(nèi)溫度分布受爐膛影響很大。為減小電爐對測試結(jié)果的影響，本文采用保溫材料將夾具包裹，降低電爐向電池的傳熱，實現(xiàn)近似絕熱的工作環(huán)境，如圖3所示。實驗中在電池上下蓋板采用硅酸鋁保溫板保溫，電池四周采用保溫石棉包裹。實驗時，將保溫后的測試裝置放入爐膛中，爐膛以2℃/min升溫速率，升至操作溫度750℃；氣體在爐膛中通過盤管加熱后進(jìn)入電池內(nèi)，電池主要由熱氣體預(yù)熱到工作溫度。SOFC運行期間，氫氣和空氣的流量分別保持為300mL/min和1200mL/min。圖3

測試電池采用保溫材料包裹照片F(xiàn)ig.3

Thephotooftestcellpackedbyinsulatedmaterials02實驗結(jié)果與討論2.1

電池性能表征采用夾具A在逆流通氣下進(jìn)行單片SOFC測試，研究插入熱電偶前后SOFC性能變化，測試中陽極通入300mL/min氫氣，陰極通入1200mL/min空氣（空氣過量系數(shù)為1.6），結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，插入熱電偶前后電池的輸出性能相差不大，未插入熱電偶時，工作電壓0.7V對應(yīng)電池功率密度約為343mW/cm2，工作電壓0.6V對應(yīng)電池功率密度約為372mW/cm2；插入熱電偶后，工作電壓0.7V對應(yīng)電池功率密度約為414mW/cm2，工作電壓0.6V對應(yīng)電池功率密度約為410mW/cm2。以上實驗結(jié)果表明，陽極插入熱電偶對電池性能影響較小，可用于分析實際情況下電池內(nèi)溫度分布規(guī)律。此外本次實驗電池0.7V時的功率密度約為400mW/cm2，略低于文獻(xiàn)[28]中的數(shù)據(jù)，可能與采用測試系統(tǒng)有關(guān)，但不影響溫度分布的結(jié)果。圖4

熱電偶插入前后SOFC的性能曲線Fig.4

PerformancecurvesofSOFCbeforeandafterthermocoupleinsertion2.2

測試電池保溫與否對SOFC溫度分布影響實驗采用夾具A，氣流為逆流布置。圖5為爐膛溫度750℃，電池以24A恒流放電時，電池內(nèi)溫度的變化規(guī)律。其中圖5a）為電池未保溫，圖5b）為電池采用保溫材料包裹后的結(jié)果。電池開始恒流放電后，由于電池內(nèi)部產(chǎn)熱，電池內(nèi)溫度逐漸上升到一個新的平衡溫度，電池內(nèi)的溫度均大于爐膛溫度。比較二者可知，電池保溫后的穩(wěn)定時間遠(yuǎn)大于未保溫電池，且保溫電池溫升遠(yuǎn)大于未保溫電池，保溫后電池最大溫升達(dá)30℃，而未保溫電池最大溫升為10℃。在相同氣體流量和入口溫度下恒流放電，保溫電池產(chǎn)熱量應(yīng)略低于未保溫電池（工作溫度高），但其出口氣體溫度高于未保溫電池，可知其熱量更多由氣體吸收并攜帶出電池。因此電池保溫后可以有效抑制電池向爐膛外傳熱，形成一定的隔熱效果，有利于進(jìn)一步分析實際電堆內(nèi)溫度分布規(guī)律。圖5

夾具不保溫時和保溫時電池24A恒流放電過程中各測點溫度變化Fig.5

Thetemperaturevariationsofeachmeasuringpointinthedischargingprocessofthecellsetatconstantcurrent24Awhenthecellisopenorcoveredbyinsulatedmaterials圖6為溫度穩(wěn)定后，電池內(nèi)各測點溫度分布結(jié)果。保溫后電池內(nèi)平均溫度比未保溫高約20℃以上，比爐膛溫度高約30℃。電池和爐膛溫差的增大表明，電池保溫后，更多的產(chǎn)熱量是通過熱氣體帶走，而不是通過與爐膛的換熱，這一傳熱方式與電池在實際電堆內(nèi)相同。因此保溫后，電池內(nèi)溫度分布應(yīng)與實際電堆內(nèi)溫度分布相似，此實驗方法可以通過單電池測量來分析電堆內(nèi)溫度分布規(guī)律。圖6

夾具保溫前后電池以24A電流放電測點溫度穩(wěn)定值Fig.6

Thedistributionofsteadytemperatureinthecellbeforeandafterthecelliscovered通過比較保溫前后結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)最大溫差差別不大。未保溫時，電池內(nèi)最大溫差為5℃，保溫后最大溫差也為5℃，且電池內(nèi)最高溫度均在陽極氣體出口處，最低溫度均在陽極氣體入口處。保溫后的溫差與實際電堆內(nèi)的最大溫差不一致，當(dāng)爐膛溫度為750℃時，氣體入口溫度也為750℃，而測試電池最高溫度為782℃，其溫差可達(dá)32℃。通過比對多次試驗數(shù)據(jù)，溫差較小的原因包括：1）電池金屬流場板較厚，本實驗流場板厚度約為20mm，遠(yuǎn)大于實際雙極板的厚度（典型的3mm左右），由于金屬的高熱導(dǎo)率，流場板的側(cè)向傳熱對電池溫度具有很強的均勻左右；2）實驗電池側(cè)面保溫不足，由于流場板側(cè)面焊有進(jìn)氣管道和氣體預(yù)熱盤管，側(cè)面采用保溫棉纏繞保溫，其保溫效果較差，且流場板側(cè)面面積較大，使得電池不能與外界實現(xiàn)較好的絕熱。這兩個原因的綜合影響使得電池內(nèi)溫差并不明顯。綜合以上結(jié)果可知，電池保溫后可以有效降低電池與電爐間的換熱，減少電爐對電池內(nèi)溫度測量的影響。這一方法有望模擬實際電堆內(nèi)單電池的換熱條件，可直接用于研究實際電堆內(nèi)溫度分布規(guī)律，進(jìn)而大大降低實驗測量難度和成本。但是，本實驗結(jié)果電池內(nèi)的溫度分布仍然與實際電堆內(nèi)結(jié)果不一致，其原因應(yīng)是單電池雙極板較厚和側(cè)面保溫不足，但并不影響該方法的可行性。2.3

電流密度對SOFC溫度分布的影響基于上述保溫方法，采用夾具A研究不同輸出電流密度對SOFC內(nèi)溫度分布影響。圖7為電池分別以18A、24A和30A電流穩(wěn)定放電，測點溫度穩(wěn)定時，各測點溫度值。電池以18A電流穩(wěn)定放電時，電池測點溫度為772~777℃；電池以24A電流穩(wěn)定放電時，電池測點溫度為777~782℃；電池以30A電流穩(wěn)定放電時，電池測點溫度為792~796℃。可以看出，隨著電池放電電流增大，電池表面測點整體溫度也會增大，這是由于放電電流增大，電池內(nèi)產(chǎn)熱量增加，同時采用保溫，電池與爐膛換熱減小，產(chǎn)熱量由氣體帶出，在氣體流速不變的情況下，溫度會隨產(chǎn)熱量增加而升高，這與實際電堆結(jié)果一致。圖7

18A、24A、30A電流穩(wěn)定放電時，電池內(nèi)各測點溫度分布Fig.7

Thetemperaturedistributionsinthecellatconstantcurrent18A,24Aand30A分析各測點溫度分布可知，不同電流密度溫度分布規(guī)律近似；陽極流道入口區(qū)域測點TA-in-1、TA-in-3溫度最低，這是由于入口氣體的冷卻作用，而TA-in-2溫度較高，這是由于其背面為陰極氣體出口；電池中間區(qū)域測點TA-m-1、TA-m-2溫度較其他測點溫度偏高；流道出口區(qū)域測點TA-out-2、TA-out-3溫度低于電池中間區(qū)域測點溫度，這是由于背面陰極氣體入口的冷卻作用，但其溫度并非最低，且TA-out-1溫度較高，說明電池內(nèi)垂直于電池方向存在一定溫差。對于不同工作電流下，電池內(nèi)的最大溫差均約為4℃，且電池內(nèi)的溫差集中在電池入口和出口處，說明溫差主要是由于入口氣體的冷卻作用和出口氣體的加熱作用，而氣體導(dǎo)熱性差、熱容低，使得電池入口局部存在較大的溫差。2.4

流場結(jié)構(gòu)對SOFC溫度分布影響流場結(jié)構(gòu)是影響電池內(nèi)溫度分布的重要因素，尤其是陽極與陰極氣體流道方式。本文采用夾具B研究流場結(jié)構(gòu)對SOFC內(nèi)溫度分布的影響。圖8為電池分別在逆流和順流結(jié)構(gòu)下，以24A電流穩(wěn)定放電時各測溫點的穩(wěn)定溫度值。順流結(jié)構(gòu)下電池內(nèi)的平均溫度約為769℃，逆流結(jié)構(gòu)下電池內(nèi)的平均溫度為770℃，比爐膛溫度高約30℃，表明保溫在一定程度上降低了爐膛的影響。圖8

順流結(jié)構(gòu)和逆流結(jié)構(gòu)下電池內(nèi)各測點溫度分布Fig.8

Thetemperaturedistributionsinthecellforco-flowandcounter-flow比較2種流場結(jié)構(gòu)的溫度分布特性可知，順流結(jié)構(gòu)時，溫度由入口到出口逐漸增大，最高溫度出現(xiàn)在出口處；而逆流結(jié)構(gòu)時，中心溫度高，入口溫度較低；這一分布特性與文獻(xiàn)結(jié)果一致，其主要是由于入口氣體溫度較低對電池具有一定冷卻作用，逆流時，陽極和陰極進(jìn)氣分布對出口氣體冷卻，使得兩側(cè)溫度較低，中間溫度較高。逆流結(jié)構(gòu)下，電池內(nèi)最大溫度為773℃、最小溫度為765℃、最大溫差4℃；順流結(jié)構(gòu)下，電池內(nèi)最大溫度為775℃、最小溫度為756℃、最大溫差19℃。相較于逆流，順流結(jié)構(gòu)下電池表面溫度差更大，電池表面最大溫度值更高。這一結(jié)果似乎與傳統(tǒng)數(shù)值計算結(jié)果不同，一般結(jié)果認(rèn)為順流時電池內(nèi)平均溫度較低，相同電壓下其平均電流密度要小于逆流結(jié)構(gòu)，因此電池內(nèi)溫差要小于逆流。本實驗是在恒定電流密度下測試的，同時順流時TB-in-2點的溫度值明顯偏低，除去這一點，電池內(nèi)各點的溫差并不大。從測點溫度值分布來看，順流結(jié)構(gòu)下，除去TB-in-2點，各測點穩(wěn)定從陽極入口到中部再到出口，溫度逐步增加；而對于逆流結(jié)果，電池內(nèi)溫度最高點出現(xiàn)在電池中部，入口處和出口處溫度均較低，這些結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果一致。順流時，TB-in-2的溫度值明顯偏低可能存在2方面原因：一是背面空氣入口的冷卻作用；二是其邊緣保溫效果較差，受爐膛溫度影響，TB-in-2點的溫度也低于TB-in-1點。由表1可知，夾具B入口和出口處測點距離邊緣較近，而電池邊緣由于氣體管道的影響，保溫較差，因此其結(jié)果可能從不同程度上受到爐膛溫度的影響。比較圖7和圖8逆流時的結(jié)果可知，相同放電電流下，夾具A的平均溫度要明顯大于夾具B。一方面，可能是由于夾具A的電池活性面積要小于夾具B，夾具A是在更大的電流密度下放電，其產(chǎn)熱量要高于夾具B；另一方面，可能是夾具B的保溫效果要比夾具A略差。比較溫度分布特點，2種夾具在逆流下電池中心處溫度總是較高，在氣體入口處受到進(jìn)氣的冷卻作用局部溫度降低，而在氣體出口處，排氣溫度較高，局部溫度升高，從而在氣體入口和出口局部形成較大的溫差，這一局部溫差可能會使電池產(chǎn)生局部應(yīng)力破壞。03結(jié)論針對爐膛對平板型SOFC溫度分布測試結(jié)果的影響，本文提出采用對測試電池保溫的方法，從而構(gòu)建近似絕熱的電池工作外