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。