关于平板管可逆固体氧化物电池性能的实验研究及多目标运行优化

胡夏晨|刘玉坤|赵全斌|李新润|胡强|钟道通|严俊杰

中国西安交通大学电力工程多相流国家重点实验室，西安710049

摘要

可逆固体氧化物电池（RSOC）具有高效率、燃料灵活性以及用于可再生能源存储和利用的潜力。平板管RSOC因其良好的密封性能和电流密度而受到广泛研究。在本研究中，设计并测试了一种平板管RSOC，并在各种操作参数下对其进行了测试。通过结合I-V特性、电化学阻抗谱（EIS）和相应的松弛时间（DRT）分布分析，研究了不同操作参数的影响特性和机制。高温降低了离子和电荷传输阻力，而氢分压主导了质量传输，质量流量和背压对RSOC性能的影响较小。最后，采用多目标优化方法优化了RSOC电池的运行性能，并获得了最佳操作参数组合。在三目标优化中，可以实现0.8735的燃料利用率、0.405的氧气利用率和3瓦的净功率输出。

引言

可逆固体氧化物电池（RSOC）作为一种有前景的能量转换装置，能够高效地将化学能转化为电能，因此受到了广泛关注[1]。由于其高效率、广泛的燃料灵活性、几乎无污染物排放以及联合发电能力，RSOC被认为是应对全球气候变化和实现碳中和最具前景的技术之一[2]。此外，RSOC可以通过在燃料电池模式（SOFC）和电解模式（SOEC）之间交替运行来实现可逆操作。在SOEC模式下，RSOC可以利用间歇性的可再生能源电力生产并储存氢气，这些氢气可以在高峰需求期间重新转化为电能，从而实现大规模的能量存储和电网灵活性。然而，尽管具有这些优势，RSOC的实际商业化应用仍面临诸如电池安全性、耐用性和成本等重大挑战。特别是在高温循环、气体成分变化和氧化还原切换条件下，长期性能下降会显著影响系统的性能和可靠性。因此，要实现高效且经济可行的运行，需要全面了解和优化电池结构及操作参数[3]。

目前，已经开发了几种RSOC的几何结构，主要包括平面型和管状型[4]、[5]、[6]、[7]。平面型RSOC具有高功率密度和紧凑的堆栈设计，其电化学性能已在先前的研究中得到广泛研究[8]、[9]。然而，密封和气体泄漏等问题仍然存在。相比之下，管状RSOC由于结构设计而提高了气体密封性和机械强度。然而，管状RSOC的设计通常功率密度较低，制造成本较高[10]、[11]、[12]、[13]。为了解决这两种结构的局限性，提出了平板管RSOC。平板管RSOC结合了平面型和管状型的优点，在功率密度和结构稳定性之间取得了平衡，如图1所示。它特别适用于需要长期可靠运行的系统[14]、[15]、[16]。然而，尽管这些研究为结构设计和性能提供了宝贵的见解，但关于操作参数如何影响平板管RSOC性能的系统理解仍然不完整。

对于平板管RSOC，现有研究报道了多种操作参数的影响，包括电池温度、氢气流量、空气流量和进气气体分压。具体来说，操作温度通过影响离子导电性和电荷传输动力学来影响电池性能。进气氢气和氧气分压通过影响反应物的可用性和交换电流密度来影响电化学反应动力学。同时，气体流量使反应物的利用率保持在合理范围内，这对于减少浓度极化和确保在高电流密度下的稳定运行至关重要[22]、[23]。Park等人[24]分析了操作温度、氢气流量和阳极厚度对阳极支撑型平板管SOFC的影响。研究结果表明，这些参数对电池性能有显著影响。此外，Li等人[25]进一步研究了操作电压、进气温度和S/C比对电池性能的影响，发现S/C比和操作电压之间存在强烈的协同作用。具体而言，在0.6伏以下的操作电压下，增加S/C比会降低水-气转移反应速率和平均电池温度，而在较高电压下则会提高这两者。Cimen等人[26]研究了不同类型燃料的影响。将不同比例的CO与氢气混合，结果显示较高的氢气含量在大电流密度下具有更好的功率密度表现。Lu等人[27]研究了温度、氢气和空气流量对电池特性的影响，还揭示了氢气和蒸汽分压的影响机制。尽管这些研究表明操作参数可以有效影响电池性能，但现有研究仍缺乏一种标准化方法来定量比较不同操作参数的影响程度。因此，很难确定在不同条件下的主导参数及其敏感性。此外，不同操作参数的耦合效应也尚未得到研究。例如，从气体扩散的角度来看，与氢气分压和流量类似，改变背压也是调节反应物分压和扩散驱动力的直接方法。然而，背压对性能的影响和机制尚未被报道。

因此，本研究定量研究了不同操作参数对新型平板管RSOC在SOFC和SOEC模式下电化学性能的影响。此外，还揭示了分压、流量和背压的质量传输和气体扩散机制。通过标准化敏感性评估方法获得了影响电池性能的主导参数。此外，采用多目标优化框架来探索操作参数的耦合效应，并确定在不同需求下的最佳参数组合。该研究深入了解了平板管RSOC中的内在电化学过程，在实际系统应用中具有提升性能和确保安全运行的优势。

章节摘录

实验和方法

测试装置包括气体储存单元、气体控制系统、加湿系统和测试测量单元，如图2所示。燃料供应系统由氢气和氮气瓶、去离子水以及蒸汽发生器组成，而空气供应系统包括空气罐和氮气瓶。每种气体在混合前都由质量流量控制器调节。电池放置在一个隔热炉中，空气通过炉内的空气室供应

在SOFC模式下的运行

RSOC在SOFC模式下的性能受到操作条件的强烈影响，包括操作温度、氢气和空气流量、氢气和氧气分压以及阳极背压。详细分析了每个操作参数对电池性能的影响机制。此外，为了找出在不同操作条件下影响电池性能的主导参数，通过参数标准化进行了定量分析

结论

系统研究了平板管RSOC在各种操作参数下的高背压耐受性能。获得了极化（I-V）曲线和电化学阻抗谱（EIS），并探讨了电化学机制，然后基于优化算法获得了SOFC性能的主要操作参数及其操作点。

• a)
  对于新型平板管RSOC，操作温度对其整体性能有显著影响

CRediT作者贡献声明

严俊杰：监督、资金获取。胡强：软件、研究。钟道通：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。赵全斌：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。李新润：研究、正式分析。胡夏晨：撰写 – 原稿撰写、数据管理、概念构思。刘玉坤：研究、正式分析

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发项目（2023-LL-QY-37）的支持。