论文标题：Numerical multi-physical optimization of operating condition and current collecting setup for large-area solid oxide fuel cells

期刊：Frontiers in Energy

作者：Chengrong YU, Zehua PAN, Hongying ZHANG, Bin CHEN, Wanbing GUAN, Bin MIAO, Siew Hwa CHAN, Zheng ZHONG, Yexin ZHOU

发表时间：13 Nov 2023

DOI：10.1007/s11708-023-0919-z

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文章亮点

建立了多物理模型来研究有效面积对电池性能的影响，系统分析了不同物理场的分布。还通过系统地调整电池操作条件和电流收集设置来优化电池性能。通过修改入口气体流速和增强电流收集，性能提高了42%。

研究背景及意义

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将氢气中的化学能直接转化为电能的发电装置，具有高效率、低排放、降低噪声等优点。SOFC的结构主要分为板式和管式两类。近期提出了一种新型双面阴极结构SOFC（DSC-SOFC），它结合了平面和管式SOFC的优点。基于电池级和电堆级的一系列实验测试，该新型结构表现出强大的抗破坏性负载和抗氧化循环能力。增加SOFC电堆单电池的有效面积，可以提高单电堆的功率输出，进一步简化制造工艺并降低成本。但是有效面积的增加将显着阻碍气体传输并延长电堆内的电流收集路径。这种现象进而导致气体、温度和电流的分布更加不均匀，导致应力集中并损害电化学性能和长期稳定性。因此，基于先前开发的三维电化学热多物理数值模型，本文研究了有效电池面积对具有对称阴极的最新扁平管状SOFC电化学性能的影响，分析了气体成分和流量、电流密度和温度的分布，以深入了解关键影响参数。

主要研究内容

在这项工作中，作者首先基于团队之前开发的三维电化学-热力多物理数值模型，研究了最新的扁管式对称双阴极SOFC的有效反应面积对放电性能的影响。对电池内部的气体流速、内部物质、电流密度和温度分布进行分析，找出关键影响参数，给出优化方案。针对入口气体流速和集流设计进行优化，大幅提高电池放电功率。

1. 建立几何模型：

根据实验室生产和测试的电池尺寸，建立了两种面积的SOFC几何模型，分别是SOFC_S (3505.5 mm²) 和SOFC_L (26400 mm²)。电池的结构和气体流场分布如图1所示。SOFC单电池由嵌入燃料气体通道的Ni–3 mol%氧化钇稳定氧化锆 (YSZ)阳极支撑层、Ni–8 mol.% YSZ阳极功能层、YSZ电解质层、LaSrCoFeO (LSCF)钙钛矿阴极层和连接件上的金属合金肋组成。

图1 SOFC单电池结构组成及气体流场示意图

2. 多物理场耦合模型开发及边界条件设定：

建立了气体流动、化学扩散、传热过程、电化学反应的多物理场耦合模型。结合达西项的修正纳维-斯托克斯方程用于模拟流道和多孔电极中气体的动量传递。物种的扩散由菲克定律与努森扩散相结合来表达。在操作过程中，考虑三个热源：来自电解质的焦耳热、电化学反应产生的活化热以及反应不可逆损失产生的熵热。氢气默认流量为 0.6 L/min（等于 0.5 m/s），空气默认流量为 5 L/min（等于 8 m/s）。出口压力固定为1.013×105 Pa。阳极供给由蒸汽（3 mol.%）和氢气（97 mol.%）组成的混合燃料。同时，向阴极供给由氧气(21摩尔％)和氮气(79摩尔％)组成的混合物。气体入口温度1023K。

3. 电池有效面积的影响：

增大SOFC面积不会对电池的机械稳定性造成任何负面影响（图2）。但会使垂直流道的中间区域流量更低（图3），氢气浓度更低（图4），造成性能下降。氧气缺乏没有氢气缺乏严重（图5）。对于SOFC_L，在中心区域可以观察到大面积的低电流密度（图6），这可能是氢供应不足的结果。从上述分析可以得出结论，确保反应气体向活性反应位点的充足供应是获得高性能的关键因素。

图2 0.9V时电池内应力分布。(a) SOFC_S; (b) SOFC_L。

图3 0.9V时阴极通道内空气流量分布。(a) SOFC_S; (b) SOFC_L。

图4 0.9V时阳极功能层中氢摩尔分数分布。(a) SOFC_S; (b) SOFC_L。

图5 0.9V时阴极层中氧摩尔分数分布。(a) SOFC_S; (b) SOFC_L。

图6 0.9V时电解质中电流密度分布。(a) SOFC_S; (b) SOFC_L。

4. 入口气体流量的影响：

电压为 0.9 V 时电池电解质层中的平均电流密度与阳极气体流量的关系如图7 所示。当流量增加到3.5 m/s时，电解质电流密度会增加到1008 A/m²。然后略有下降并稳定在 990 A/m² 左右。随着流量的增加，阳极气体入口处的温度逐渐下降，高温分布集中在气体出口处，如图8所示。这种现象可能是由于气体流量较高时对流散热较高所致，而电化学反应动力学会随着温度降低而减缓。因此，在较高入口燃气流速（> 3.5 m/s）下会观察到较低的性能。在空气流量对电流密度的影响中，可以再次观察到初始增加随后下降的类似模式，但效果不太显着。如图9所示，当空气流速从4增加到17 m/s时，电流密度从970 A/m²增加到1008 A/m²。

图7 SOFC_L在不同入口燃气流量和放电电压0.9 V（1 m/s等于3.36 L/min）下的电流密度。

图8 不同入口燃气流量下电解质温度分布。(a) 1m/s; (b) 3.5m/s; (c) 5m/s。

图9 SOFC_L在不同入口空气流量和放电电压0.9 V（1 m/s等于4.11 L/min）下的电流密度。

5. 集流器设计的影响：

SOFC 在阳极支撑层上添加了 45 根镍丝以进行电流收集（图10），添加镍丝后，可以明显观察到电流密度性能得到改善，达到 1213 A/m²，比无集电器的情况（1008 A/m²）高 20%，比无集电器且默认进气流量（856 A/m²）的情况高 42% 。

图10 阳极支撑层添加 45 根镍丝的 SOFC 示意图

结论

扩大单个电池的有效面积以提高功率输出对推动SOFC技术的商业可行性至关重要。然而，实验证明仅仅扩大扁管式对称双阴极SOFC电池的有效面积会导致性能下降，特别是平均电流密度方面。在这项工作中，建立了一个宏观电-化学-热多场耦合模型，用于模拟电池的放电性能。我们首先研究了增加有效面积的影响。随后，为了优化电池性能，系统地研究了气体入口流速和集流设计的影响。在0.9V工作电压下，通过优化气体流速和添加额外的集流设置，电流密度提高了42%。此外，优化后的SOFC还表现出了更好的稳定性。然而，电池几何形状需要进一步优化，以提高电流密度和温度分布的均匀性，这将在未来的研究中加以解决。

原文信息

Numerical multi-physical optimization of operating condition and current collecting setup for large-area solid oxide fuel cells

Chengrong YU¹, Zehua PAN^1*, Hongying ZHANG¹, Bin CHEN², Wanbing GUAN³, Bin MIAO⁴, Siew Hwa CHAN⁴, Zheng ZHONG¹, Yexin ZHOU^1*

Author information：

1. School of Science, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China

2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Deep Earth Sciences and Geothermal Energy Exploitation and Utilization, Institute of Deep Earth Sciences and Green Energy, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China

3. Key Laboratory of Advanced Fuel Cells and Electrolyzers Technology of Zhejiang Province, Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering of the Chinese Academy of Sciences, Ningbo 315201, China

4. Energy Research Institute at NTU (ERIAN), Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore

Abstract：

Due to the depletion of traditional fossil fuels and the aggravation of related environmental problems, hydrogen energy is gaining more attention all over the world. Solid oxide fuel cell (SOFC) is a promising power generation technology operating on hydrogen with a high efficiency. To further boost the power output of a single cell and thus a single stack, increasing the cell area is an effective route. However, it was recently found that further increasing the effective area of an SOFC single cell with a flat-tubular structure and symmetric double-sided cathodes would result in a lower areal performance. In this work, a multi-physical model is built to study the effect of the effective area on the cell performance. The distribution of different physical fields is systematically analyzed. Optimization of the cell performance is also pursued by systematically tuning the cell operating condition and the current collection setup. An improvement of 42% is revealed by modifying the inlet gas flow rates and by enhancing the current collection. In the future, optimization of cell geometry will be performed to improve the homogeneity of different physical fields and thus to improve the stability of the cell.

Keywords：

solid oxide fuel cell (SOFC), large effective area, flow rate, discharge performance, current collection

Cite this article

Chengrong YU, Zehua PAN, Hongying ZHANG, Bin CHEN, Wanbing GUAN, Bin MIAO, Siew Hwa CHAN, Zheng ZHONG, Yexin ZHOU. Numerical multi-physical optimization of operating condition and current collecting setup for large-area solid oxide fuel cells. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-023-0919-z

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通讯作者简介

周晔欣，哈尔滨工业大学（深圳）理学院副教授，2013年获得香港大学机械工程博士学位，2013-2014任香港大学副研究员，2014-2018在江苏大学工作，2018年6月进入哈尔滨工业大学（深圳）工作。主要从事固体氧化物燃料电池/电解池技术、多场耦合模拟、计算固体力学、复合材料力学、高性能计算等方面的研究。研究成果在Composites Science and Technology，Composite Structures，Appl Energy，Computational Mechanics等期刊发表论文40余篇，参与编写复合材料专著一部，主持多项国家、省市级科研项目。

Frontiers in Energy （SCI），能源领域综合性英文学术期刊，于2007年创刊，现为中国工程院院刊能源分刊 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编，加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

出版能源领域原创研究论文、综述、展望、观点、评论、新闻热点等。选文注重“前沿性、创新性和交叉性”，涉及领域包括：能源转化与利用，可再生能源，储能技术，氢能与燃料电池，二氧化碳捕集、利用与封存，动力电池与电动汽车，先进核能技术，智能电网和微电网，新型能源系统，能源与环境，能源经济和政策。

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