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金属支撑固体氧化物燃料电池阻抗谱建模与诊断

黄秋安  
【摘要】: 在车辆和舰艇等移动应用领域,金属支撑固体氧化物燃料电池SOFC具有很高的应用潜力。然而,为实现大规模商业化应用,金属支撑SOFC技术在高成本和低可靠性上必须取得实质性突破。在面对上述挑战的持续努力中,电池性能优化测试和失败模式诊断发挥着重要作用。在燃料电池诊断工具中,交流阻抗谱,也称为电化学阻抗谱,被广泛用来作为电池性能评价和退化诊断分析。本文主要采用交流阻抗谱及其模型诊断方法,并结合电压-电流-功率密度极化曲线、扫描电子显微镜技术、能量分散X射线技术、X射线衍射技术以及热循环分析方法,研究金属支撑SOFC极化特性,诊断电池退化机理,以及评价电池动态特性。 由脉冲激光沉积和悬浮等离子喷涂工艺制作的试验样品SS430/NiO-SDC/ScSz/SDC/SSCo-SDC和Hastelloy X/NiO-SDC/SDC/SSCo-SDC是本文研究对象,讨论主要集中在电池结构、关键材料、制造流程以及在本工作中所采用的表征方法。本文也对燃料电池的交流阻抗谱诊断的本质进行了讨论,并首次从模式识别和系统诊断的视角给出阻抗谱诊断的理论架构,该架构主要由六个状态和五个动作构成。另外,本文还系统全面地比较分析了不同阻抗谱模型在SOFC领域中诊断特点。 基于SOFC交流阻抗谱等价电路模型,本文深入研究了两金属支撑SOFC单体电池的极化特性。在400~600℃温度范围,从电化学角度比较和分析SDC单电解质层和双电解质层SSCo/SDC结构金属支撑SOFC,它们分别为脉冲激光沉积和悬浮等离子喷涂工艺制作,在比较和分析时,重点关注阴极交换电流密度、极化损失以及最大功率密度。试验和仿真结果说明,运行温度和制造工艺在金属支撑SOFC线性极化特性中扮演重要角色。因此,为了降低电池极化损失,必须优化沉积工艺对界面形貌的影响。 为了诊断Hastelloy X/NiO-SDC/SDC/SSCo-SDC金属支撑SOFC退化机理,本文提出一个混合电子离子导体等价电路模型。在金属支撑SOFC领域,本文提出的等价电路模型首次将退化诊断分析所必须的参数有效关联,而且,该模型具有良好的数学可解析性。该等价电路模型的诊断结果表明,在450~600℃温度范围,高接触电阻是阻碍金属支撑SOFC性能的关键因素。试验观测到的金属支撑体/阳极界面氧化物薄膜以及电解质/阴极界面弱的结合力可能对高的接触电阻负责,此观测结果也验证了本文提出等价电路模型的有效性。另外,借助提出的等价电路模型,定量评价了金属支撑SOFC内部电子传导。 同时,为了评价金属支撑SOFC动态性能,本文进行了热循环测试实验。在15次热循环测试期间,电池开路电压维持相对恒定,然而,交流阻抗谱结果显示,电池性能退化相当明显。相对恒定的开路电压显示,电解质层经受住了热冲击,此受益于金属支撑体良好的导热性和延展性。实验观测到的电池性能退化现象很可能归咎于电解质材料与阴极材料热膨胀系数不匹配以及金属支撑体的氧化,此结论同由等价电路模型推导出的电池退化机理相吻合,也再次验证了本文提出等价电路模型诊断结果的有效性。 综上所述,本文为SOFC阻抗谱诊断提供了完整的理论架构和切实可行的诊断方法,而且,本文的诊断结果,可为金属支撑SOFC性能优化和稳定性改进提供先决条件和理论基础,从而加速金属支撑SOFC商业化进程。


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