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【精彩论文】平板型固体氧化物燃料电池内温度分布规律
观点凝练
摘要：固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）内温度梯度引起的热应力是制约其寿命的关键问题之一。针对传统SOFC温度分布测量实验中电炉对实验结果的影响，提出了采用对测试电池保温的方法，给电池提供近似绝热的工作环境，以便将实验结果拓展到实际电堆中。采用该方法，通过实验研究了平板型SOFC单电池内温度分布规律，实验结果表明：电池保温可有效降低电池与电炉间的换热，24 A放电时，电池内最大温度为782 ℃，比炉膛温度高32 ℃，证明电池保温可有效降低电炉的影响；当电流为18 A、24 A和30 A时，电池内最大温度分别为777 ℃、782 ℃和796 ℃，但最大温差均为5 ℃左右；电池内温度梯度受进气的冷却作用影响较大，但其影响范围较小，因此在电池气体入口局部会产生较大的温差，影响电池的运行安全性。
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部环境，以降低电炉温度对电池温度分布测试的结果。通过实验验证了这一方法的可行性，并研究了平板式SOFC在不同放电电流密度和流场结构时的温度分布规律，得到如下结论。
1）将电池采用保温材料包裹后，24 A恒流放电时，电池内平均温度比炉膛温度高30 ℃，证明保温可有效减少电池与炉膛间传热，降低电炉对电池内温度分布的影响，从而有望得到与实际电堆内相近的温度分布规律。本实验由于电池侧面保温不太好，电池测试夹具较厚，电池保温后温度整体上会高于未保温，但电池内温差增大并不明显。
2）保温情况下，电流在18 A、24 A、30 A时，电池内平均温度分别为775 ℃、780 ℃、794 ℃，比炉膛温度分布高出25 ℃、30 ℃、44 ℃，这说明保温可以一定程度上降低炉膛的影响。不同放电电流下，电池内温度分布规律一致，表现为中心温度较高，气体入口处温度降低，最大温差均为4 ℃。可见此测试电池温度分布受入口气体冷却作用明显，而由于气体热容较小，冷却作用有限，在入口局部形成较低温度。
3）相同放电电流下，采用顺流结构时电池内平均温度约为769 ℃，逆流结构时约为777 ℃。然而，2种结构在温度分布规律上不同，顺流结构时温度由入口到出口逐渐升高，最高温度出现在出口处；而逆流结构时温度呈现中心高，入口低的分布特性，这主要是由于入口气体冷却作用和气体热量积累。
4）由于入口气体的冷却作用，电池气体入口和出口处存在较大的局部温差，在气体入口局部产生较大的热应力。
引文信息
张小坤, 吕大伟, 尹中强, 等. 平板型固体氧化物燃料电池内温度分布规律[J]. 中国电力, 2023, 56(6): 123-131.ZHANG Xiaokun, LV Dawei, YIN Zhongqiang, et al. Temperature distribution in planer solid oxide fuel cell[J]. Electric Power, 2023, 56(6): 123-131.往期回顾
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审核：方彤
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