Anode-Oxidizing Critical Operating Conditions of Large Planar Solid Oxide Fuel Cell

Abstract

Anode oxidation is a damaging fault in SOFC that may happen at high fuel utilization. To avoid anode oxidation, a 1D polarization and impedance model was developed for large planar SOFC, in order to reveal the critical operating condition. The model was validated with both experimentally measured j-V curve and impedance. The overpotential and impedance at each locality of the planar cell is predicted by a lumped-parameter model calibrated with button cell experimental data, with an RMS relative voltage error of 2.3%. The predicted operating voltage of a planar cell at given total current agrees well with measured data, with an RMS relative voltage error of 3.0%. At 750°C, the critical operating voltage increases up to 0.73 V as the fuel flow rate decreases. Further work is ongoing on a 2D spatially resolved model accounting for temperature distribution for more accurate prediction of anode-oxidizing operating conditions.

Study of Operating Conditions for High Efficiency and Anode Safety of Industrial-Size Solid Oxide Fuel Cell

“…于是, 结合 SOFC 的 实际运行场景需求, 针对工业尺寸的大电池, 在高燃料 利用率下开展实验, 从而建立效率测试和评价方法, 是 非常必要的 [14] . 此外, 高燃料利用率下运行时还需考虑 SOFC 阳极 局部氧化的问题 [15][16][17] . 这是由于燃料利用率提高时, 阳 极侧的氢分压降低, 水分压升高, 从而导致阳极侧的氧 分压升高, Ni 颗粒易被氧化 [18] .…”

“…在极 端情况下, 氧化过程中 Ni 颗粒的体积膨胀可能会导致 阳极或电解质开裂 [21][22][23] 2 , 在此基础上, 我们基于本课题组 [24] 所开发的电化 学阻抗谱处理软件 EISART, 补偿了测试过程中电压引 线与电流引线之间的互感对高频数据的影响, 得到欧姆 电阻为 0.343 Ω•cm 2 . [15] , 从而导致电池的 输出电压下降. 因此, 电池的发电效率并不会随着燃料 利用率的提高而持续提高, 而是先增大后减小, 存在一 个最大值, 该规律在三个放电电流下一致.…”

“…由此可见, 上文中所建立的效率测试及 评价方法以及燃料利用率为 77%～90%这一高效运行区 x 相等. 本课题组之前的模拟工作表明, 当进、出 口组分恒定时, 不同工况下阳极表面的组分分布也具有 相似性 [15] .…”

“…其中, E0 是标准状态下的可逆电压, 如前文所述, 阳极局部氧化往往会导致电池欧姆电 阻的增长 [15,[18][19] . 在 EIS 测量中, 高频阻抗与实轴的交 点可以反映电池的欧姆电阻 [30] .…”

“…当阳极局部的 电势 E Anode 低于 Ni 的临界氧化电动势 E*时, 此区域的 Ni 会发生氧化. 阳极局部电势 E Anode 受到温度、组分分 布及电流所导致的局部活化极化损失的影响 [15] , 相同 燃料利用率下, 温度提高会导致阳极局部电势 E Anode 上 升. 相同燃料利用率下, 高温下阳极局部电势 E Anode 更 不易低于 Ni 的临界氧化电动势 E*, Ni 更不易被氧化, 因此电压波动更小.…”