论文标题：Experimental study on current distribution in parallel-connected solid oxide fuel cell strings

期刊：Frontiers in Energy

作者：Jia Lu, Qiang Hu, Jian Wu

发表时间：28 Dec 2023

DOI：10.1007/s11708-024-0941-9

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文章简介

固体氧化物燃料电池(SOFCs)堆栈性能的不均匀性在实际应用中是一个很大的问题，然而到目前为止，这种不均匀性对并联SOFCs的影响尚未被详细讨论过。本文基于电学和电化学的基础知识，提供了非均匀电池并联堆内电流分布的详细实验数据，且发现在这种并联系统中的特殊现象是待机状态下的“自放电效应”和正常运行状态下的“容量-比例-负荷分担效应”。

研究背景及意义

与传统的能源发电系统相比，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有环境友好、不涉及贵金属、电效率高、燃料灵活等突出特点，近年来受到越来越多的关注。然而，单个SOFC通常不能满足实际应用的功率需要，因此研究堆栈的设计和制作具有重要的意义。典型的SOFC堆栈包含一定数量的单元或重复单元，通常认为在堆栈中连接相同的电池单元是最优的，然而在实践中，并非所有电池的行为都相同。导致电池“不均匀”的可能原因有很多，包括初始成分不均匀、操作参数分布不均匀等，串联堆栈中的电压分布及其对堆栈失效的影响已经被研究过，但关于并联堆栈中电流分布的研究尚且不足。因此本文讨论了不同并联结构和不同工作条件下电池堆栈不均匀性对电流分布的影响，为今后SOFC堆栈的开发提供了基础。

主要研究内容

堆栈组装：

本研究采用串并联混合配置,每4个电池单独串联成一个电池组，然后将这5个电池组放入一个炉子中。为了测量流经每个电池组的电流，使用了五个串联的 5 A/50 mV 分流器。图1给出了电池、分流器的排列及其与测试装置的连接示意图。

图1 电池连接示意图及评价系统

不同 OCV 对并联配置电池组的影响：

图3(a)显示了S1-S5电池组在堆栈中的OCV，其值在4.59 ~ 4.73 V之间。如图3 (b)所示，当OCV最高的S4与其他单电池组并联时，S4上的电压为正，而S1、S2、S3和S5上的电压为负。这意味着S4充当电池，而S1、S2、S3和S5更像是负载。通过对图3(c)- (e)的分析，可知当并联电池组的 OCV 不同时，堆栈环路内部存在并联电流ip，使得具有较高OCV的电池组对具有较低OCV的电池组进行充电，且该电流值与并联电池组的ΔOCV 成正比。

图3 不同OCV对并联构型的影响

(a) OCV分布;(b)分流器上电压演变;(c)不同配置下OCV差和并联电流的比较;(d)并联电流与OCV差值图;(e)和(f)并联电流方向示意图。

多个并联电池组：

从图4(a)中可以看出，每个电池组中都有平行电流流过，但当并联数大于两个时，通过不同电池组的电流不再均匀。此外，总电阻随着连接的电池组数增加而减小，并且似乎与并联配置中的电池组数成反比，如图4(f)所示。

图4 多个并联电池组在(a) 0 h, (b) 200 h, (c) 600 h时的OCV和电流分布;(d) EIS;(e) DRT;(f) 0 h时并联结构的不同电阻函数

不同动力电池组对电流分布的影响：

不同的电池电压下，不同电池组的放电发电能力是不同的。图5(c)显示了恒流并联模块内的电流分布，而S1到S5的放电负荷功率分担如图5(e)所示，可以看出各个电池组的电流代数和与理论设定值的误差小于0.5%。此外，如图5(b)所示，负荷分担的变化与LSVs确定的功率比的变化基本一致。与恒流模式相比，恒电位模式下各电池组的电流代数和与理论设定值的误差略大(< 1%)，而负载分担的变化也与LSV记录的实际容量相对应。

图5 (a) LSV;(b)五个单电池组的功率比;(c)和(e)恒流阶跃试验下的电流分布和负荷分担;(d)和(f)恒压阶跃试验

氧气缺乏：

将氮气与空气混合，使阴极处氧气(pO₂)的分压逐渐降低至10%和5%。与空气条件下相比，随着pO₂的降低，5个电池组的OCV均减小(图6(a))，且当pO₂达到5%时，OCV的分布发生了显著变化(图6(b))。从图6(c)-(f)可以看出，当反应气供应不足时，负荷分担偏离LSV测量的功率，且随着pO2的减小以及电流的增大，偏差也越来越大。

图6 氧分压为10% (a)、(c)、(e)和氧分压为5% (b)、(d)、(f)时平行构型的OCV和电流分布

电池泄漏：

在并联前，各单电池组的并联电压与OCV相关(图7(a))。并联后，由图7(b)可以看出，与S2串联的分流器电压在前20 h内明显下降，但在100 h后保持稳定。恒流放电时，如图7(c)所示，S2最初的负载分担低于LSV测量的标称电池组容量，但在100 h后，其以LSV为表征的容量基本恢复。总之，一定程度的电池泄漏对并联模块的负载分担性能影响不大。

图7 (a)并联前S1-S5和5P的I-V曲线;在(b)无直流偏置和(c)恒压放电状态下，泄漏的五个电池组并联配置的氢气入口压力、电池组温度和并联电压随时间的变化

主要结论

本文研究了非均匀电池组并联构成的SOFC堆栈的特性。当没有直流偏置时，堆栈内存在“并联电流”，该电流在并联运行开始时达到最大值，几百秒后达到稳定。在放电运行方式方面，发电能力不均匀的电池组并联时输出的电流不同。此外，虽然电流分布会随着氧气不足、电池漏液和时间等的变化而变化，但低OCV电池在待机模式下仍然会产生负电流，而高容量电池在放电模式下会产生较大电流。

原文信息

Experimental study on current distribution in parallel-connected solid oxide fuel cell strings

Jia Lu¹, Qiang Hu^2*, Jian Wu¹

Author information：

1. College of Mathematics and Computer Science, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Hangzhou 311300, China

2. Zhejiang Zhentai Energy Technology Co., Ltd., Lishui 321400, China

Abstract：

To increase the power generated by solid oxide fuel cells (SOFCs), multiple cells have to be connected into a stack. Nonuniformity of cell performance is a worldwide concern in the practical application of stack, which is known to be unavoidable and caused by manufacturing and operating conditions. However, the effect of such nonuniformity on SOFCs that are connected in parallel has not been discussed in detail so far. This paper provides detailed experimental data on the current distribution within a stack with nonuniform cells in parallel connection, based on the basics of electricity and electrochemistry. Particular phenomena found in such a parallel system are the “self-discharge effect” in standby mode and the “capacity-proportional-load sharing effect” under normal operating conditions. It is believed that the experimental method and results proposed in this paper can be applied to other types of fuel cell or even other energy systems.

Keywords：

solid oxide fuel cells (SOFCs), stack, nonuniformity, parallel connection, current distribution

Cite this article

Jia Lu, Qiang Hu, Jian Wu. Experimental study on current distribution in parallel-connected solid oxide fuel cell strings. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0941-9

学术助理：罗柳轩（博士后，香港科技大学）

刘孟杰 （ 硕士， 上海交通大学）

编辑：Frontiers in Energy 编辑部

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