工业尺寸固体氧化物燃料电池高效及阳极安全运行条件研究

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种清洁高效的能源转化装置, 如何提高SOFC的发电效率, 并保证阳极不发生局部氧化, 是工业界与学术界的焦点问题之一. 建立了工业尺寸SOFC的效率测试与评价方法, 通过对比多组高燃料利用率下的电池效率测试结果, 发现在相同燃料利用率下, 电压会随电流的增大而下降. 因此, 较低的电流有利于达到更高的效率, 较大的电流则有利于输出更高的功率. 此外, 研究了高燃料利用率下放电时电压波动与阳极局部氧化的关联, 通过分析阳极Ni的临界氧化条件, 提出了避免发生阳极局部氧化的电池安全运行条件: 电池的输出电压应高于Ni的临界氧化电动势. 基于所采用的电池和测试参数, 发现在各个电流及温度下, SOFC发电效率大于50%时, 对应的燃料利用率一般在77%~90%这一区间内, 当燃料利用率为87.10%时, 电池具有最大的发电效率. 尽管对于不同材料、结构和制备工艺的SOFC, 其最高效率所对应的工况会有所差异, 但所提出的效率测试及评价方法和阳极安全运行的判断条件具有一定的普适性, 可以根据实际需求中高功率、高效率及长期稳定运行的重要程度, 确定相应的高效及阳极安全运行条件.     

大尺寸固体氧化物燃料电池的电极过程解析方法

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)作为一种原位/非原位的电化学表征技术,在固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)尤其是小尺寸电池的研究中得到了广泛应用,而工业大尺寸电池的EIS研究较少且大多基于小尺寸电池的研究结果。本文对工业尺寸(10 cm × 10 cm)阳极支撑平板式SOFC搭建了EIS测试系统,并改变电池运行温度、阳极/阴极气体组分,对该电池进行了系统的EIS测试,而后采用不基于先验假设的弛豫时间分布法(Distribution of Relaxation Times,DRT)对EIS数据进行解析。通过比较分析不同条件下的DRT结果,揭示了DRT中各特征峰与电池中具体电极过程的对应关系。与小尺寸电池相比,由于大尺寸电池的有效面积较大且入口流量较小,气体转化过程在大尺寸电池中不容忽视。本文通过解析EIS实现了对工业大尺寸SOFC单电池中各项电极过程的分辨,该方法及结果能够进一步应用于SOFC原位表征、在线监测以及衰减机理等相关研究。     

固体氧化物燃料电池运行初期电化学性能演变机制

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效的发电装置, 其运行中的性能衰减受到众多因素的影响, 如何分辨这些因素的贡献、并在此基础上确定衰减的主导因素, 对于更有针对性地提升SOFC的运行寿命至关重要. 广泛的测试结果表明, SOFC的电化学性能在运行初期(约前100 h)会发生最为显著且复杂的变化, 但是对其演变机制还没有形成清晰的认识. 本工作基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分析方法分别研究了工业尺寸电池(100 cm²)和纽扣电池(0.45 cm²)在运行初期的电化学性能演变规律, 得到了关于电池性能和电极微观结构演变机制的一致性规律. 电池在运行初期依次经历活化阶段和老化阶段: 活化阶段阳极孔隙率增加、气相扩散过程改善, 电池性能逐渐上升; 老化阶段阳极Ni颗粒发生烧结团聚, 有效三相界面长度显著降低, 阳极界面反应过程劣化, 电池性能逐渐下降. 各阶段的持续时间、性能变化幅度会受到电池制备工艺的影响. 本工作提出的运行初期电化学性能演变机制能够为进一步研究SOFC的长期稳定性奠定基础.     

固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解

电化学阻抗谱技术(EIS)在固体氧化物燃料电池(SOFC)中已获得广泛应用。在EIS分析过程中,研究者能够清楚地获得燃料电池内部因纯离子(电子)导电引起的欧姆电阻和因电化学过程、扩散作用引起的极化阻抗的大小,但是对于极化阻抗的构成缺乏进一步解析。本文选用传统的Ni-YSZ阳极支撑电池,通过改变测试温度、阳极运行气氛和阴极运行气氛,设计了一套完整的阻抗差异分析(ADIS)实验。并基于弛豫时间分布法(DRT)和阻抗差异分析法,系统地分析并解释了阻抗谱中各频率段对应阻抗的物理或(电)化学含义,将该类型电池阻抗谱以6个RQ并联电路予以拟合,为之后燃料电池性能稳定性的研究奠定基础。