李明瀚　高祥　張強

摘 要：文章針對電解質(zhì)支撐的固體氧化物燃料電池（SOFC），建立了一個三維的數(shù)學模型，然后基于此模型，分析了陽極和陰極rib對氣體濃度分布和電勢分布的影響。同時還進一步分析了陽極和陰極rib與電池輸出電流密度的關系，并分別給出了最優(yōu)的陽極和陰極rib尺寸。

關鍵詞：固體氧化物燃料電池；電解質(zhì)支撐；圓柱形連接體

1 概述

固體氧化物燃料電池（SOFC）具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、燃料靈活、不需要昂貴的催化劑等優(yōu)點，被認為是21世紀最有應用前景的新能源技術[1]。在實際應用中，單電池的性能遠遠滿足不了實際需求，因此必須把多個單電池通過連接體材料以串聯(lián)或并聯(lián)的方式組裝成電池堆。但是根據(jù)試驗報道，電池堆的最好的性能也只有單電池的一半左右[2]。

連接體作為連接單電池組成電池堆的重要組成部分，對其優(yōu)化設計顯得尤為重要。連接體與電極接觸的部分稱為rib，起到集流的作用。Lin等人[3]給出了陽極支撐的SOFC中rib與濃度損失、歐姆損失之間的對應關系，并根據(jù)此對應關系得到了最優(yōu)的rib值；Kong等人[4]對陰極支撐SOFC的陽極rib和陰極rib分別進行了優(yōu)化，并給出了擬合公式。Kornely等人[5]通過實驗對陽極和陰極rib對SOFC性能的影響分別進行了探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽極rib尺寸對SOFC的影響可忽略不計，但因為實驗樣本太少，因此不具有普遍性。Li[6]等人提出了一種離散式柱形連接體，并與傳統(tǒng)的連接體在單電池和電堆以及強制對流與自然對流方面進行了比較，并且針對圓柱形連接體尺寸做了進一步優(yōu)化。

然而需要指出的是，目前對圓柱形連接體的研究主要是針對陽極支撐和陰極支撐的SOFC的優(yōu)化，對于電解質(zhì)支撐的SOFC圓柱形連接體的優(yōu)化尚未發(fā)現(xiàn)。因此，有必要對電解質(zhì)支撐的SOFC圓柱形連接體做進一步的研究，以探究圓柱形連接體尺寸對電池堆性能的影響，來獲得的更高的輸出功率。

2 模型

物理模型：在文章的研究中，建立了一個三維電解質(zhì)支撐平板式SOFC。模型主要由陽極、電解質(zhì)、陰極以及連接體組成，考慮的控制方程有質(zhì)量守恒方程、電荷守恒方程和電化學反應。

3 結(jié)果與討論

當陽極圓柱形連接體rib的半徑為1mm時，電池的最小H2濃度為7.6mol m3。當陽極圓柱形連接體rib的半徑為2mm時，電池的最小H2濃度為4.1mol m3。因此陽極圓柱形連接體rib半徑越大，越不利于H2的擴散。當陰極連接體rib的半徑為1mm時，由陰極引起的電壓降為0.0747V。當陰極連接體rib的半徑為2mm時，由陰極引起的電壓降為0.0407V。因此陰極圓柱形連接體半徑越大，陰極引起的電壓降就越小。

從圖1可以看出，隨著rib尺寸的增加，電池輸出電流密度先增大后減小。當陽極rib尺寸為1.9 mm時，電流密度達到最大值，最大值為2233.5A/m2。也就是說，存在一個陽極rib尺寸，可以使電流密度達到最大值。類似，當陰極rib尺寸為1.6mm時，電流密度達到最大值，最大值為2212.5A/m2，與陽極最優(yōu)rib尺寸1.9 mm不同。

4 結(jié)束語

文章主要對電解質(zhì)支撐SOFC的圓柱形連接體結(jié)構(gòu)進行了分析。結(jié)果表明，電池的性能與rib尺寸有很大的關系。對于圓柱形連接體來說，rib尺寸對氣體濃度分布、電勢分布有很大的影響。同時，存在一個最優(yōu)的rib尺寸可以使得電池的輸出功率最大，但由于陽極和陰極自身特性的不同，導致其最優(yōu)rib尺寸也不相同。

參考文獻

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