金屬支撐固體氧化物燃料電池阻抗譜建模與診斷.pdf

1、在車輛和艦艇等移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域，金屬支撐固體氧化物燃料電池SOFC具有很高的應(yīng)用潛力。然而，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，金屬支撐SOFC技術(shù)在高成本和低可靠性上必須取得實(shí)質(zhì)性突破。在面對(duì)上述挑戰(zhàn)的持續(xù)努力中，電池性能優(yōu)化測(cè)試和失敗模式診斷發(fā)揮著重要作用。在燃料電池診斷工具中，交流阻抗譜，也稱為電化學(xué)阻抗譜，被廣泛用來作為電池性能評(píng)價(jià)和退化診斷分析。本文主要采用交流阻抗譜及其模型診斷方法，并結(jié)合電壓一電流一功率密度極化曲線、掃描電子顯微鏡技術(shù)、能

2、量分散x射線技術(shù)、x射線衍射技術(shù)以及熱循環(huán)分析方法，研究金屬支撐SOFC極化特性，診斷電池退化機(jī)理，以及評(píng)價(jià)電池動(dòng)態(tài)特性。
　　 由脈沖激光沉積和懸浮等離子噴涂工藝制作的試驗(yàn)樣品SS430/NiO—SDC/ScSz/SDC/SSCo—SDC和Hastelloy X/NiO—SDC/SDC/SSCo—SDC：是本文研究對(duì)象，討論主要集中在電池結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料、制造流程以及在本工作中所采用的表征方法。本文也對(duì)燃料電池的交流阻抗譜診斷的

3、本質(zhì)進(jìn)行了討論，并首次從模式識(shí)別和系統(tǒng)診斷的視角給出阻抗譜診斷的理論架構(gòu)，該架構(gòu)主要由六個(gè)狀態(tài)和五個(gè)動(dòng)作構(gòu)成。另外，本文還系統(tǒng)全面地比較分析了不同阻抗譜模型在SOFC領(lǐng)域中診斷特點(diǎn)。
　　 基于SOFC：交流阻抗譜等價(jià)電路模型，本文深入研究了兩金屬支撐SOFC單體電池的極化特性。在400～600。C溫度范圍，從電化學(xué)角度比較和分析SDC單電解質(zhì)層和雙電解質(zhì)層SSCo/SDC結(jié)構(gòu)金屬支撐SOFC：，它們分別為脈沖激光沉積和懸浮等離

4、子噴涂工藝制作，在比較和分析時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注陰極交換電流密度、極化損失以及最大功率密度。試驗(yàn)和仿真結(jié)果說明，運(yùn)行溫度和制造工藝在金屬支撐SOFC線性極化特性中扮演重要角色。因此，為了降低電池極化損失，必須優(yōu)化沉積工藝對(duì)界面形貌的影響。
　　 為了診斷Hastelloy X/NiO—SDC/SDC/SSCo—SDC：金屬支撐SOFC退化機(jī)理，本文提出一個(gè)混合電子離子導(dǎo)體等價(jià)電路模型。在金屬支撐SOFC領(lǐng)域，本文提出的等價(jià)電路模型首次將

5、退化診斷分析所必須的參數(shù)有效關(guān)聯(lián)，而且，該模型具有良好的數(shù)學(xué)可解析性。該等價(jià)電路模型的診斷結(jié)果表明，在450～600℃溫度范圍，高接觸電阻是阻礙金屬支撐SOFC性能的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)觀測(cè)到的金屬支撐體鄺日極界面氧化物薄膜以及電解質(zhì)/陰極界面弱的結(jié)合力可能對(duì)高的接觸電阻負(fù)責(zé)，此觀測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出等價(jià)電路模型的有效性。另外，借助提出的等價(jià)電路模型，定量評(píng)價(jià)了金屬支撐SOFC內(nèi)部電子傳導(dǎo)。
　　 同時(shí)，為了評(píng)價(jià)金屬支撐SOFC動(dòng)態(tài)

6、性能，本文進(jìn)行了熱循環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在15次熱循環(huán)測(cè)試期間，電池開路電壓維持相對(duì)恒定，然而，交流阻抗譜結(jié)果顯示，電池性能退化相當(dāng)明顯。相對(duì)恒定的開路電壓顯示，電解質(zhì)層經(jīng)受住了熱沖擊，此受益于金屬支撐體良好的導(dǎo)熱性和延展性。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的電池性能退化現(xiàn)象很可能歸咎于電解質(zhì)材料與陰極材料熱膨脹系數(shù)不匹配以及金屬支撐體的氧化，此結(jié)論同由等價(jià)電路模型推導(dǎo)出的電池退化機(jī)理相吻合，也再次驗(yàn)證了本文提出等價(jià)電路模型診斷結(jié)果的有效性。
　　 綜上所述