固體氧化物燃料電池（SOFC）和固體氧化物電解池（SOEC）電堆的電化學(xué)分析和診斷是國際上的研究難點。明確多片電堆的本征電化學(xué)反應(yīng)機理和性能規(guī)律,是SOFC/SOEC技術(shù)實用化的關(guān)鍵。本研究采用弛豫時間分布法（DRT）耦合阻抗譜差異分析法（ADIS）對電堆在燃料電池模式和電解池模式下的復(fù)雜電化學(xué)行為進行了研究,通過弛豫時間解析出各個過程對應(yīng)的特征峰,區(qū)分出不同的物理化學(xué)過程。研究表明,電堆在SOFC模式運行時,其氫電極含水量應(yīng)大于20%,而SOEC模式運行時,含水量應(yīng)小于80%,以最小化電池的氣體擴散阻抗。本方法可應(yīng)用于SOFC/SOEC電堆的分析診斷,簡化電堆測量分析的復(fù)雜性,有助于電堆衰減機理和原因的實時診斷,并對電堆性能提高給出理論依據(jù)和指導(dǎo)建議。 

【文章來源】：無機材料學(xué)報. 2016,31(12)北大核心EISCICSCD

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【部分圖文】：

EIS分析流程圖

第12期王雪,等:基于DRT和ADIS的SOFC/SOEC電堆電化學(xué)阻抗譜研究12811.2電堆阻抗測試系統(tǒng)實驗使用四片電堆,電池片組成為Ni-YSZ/YSZ/CGO/LSCF,其中氫電極采用Ni-YSZ,電解質(zhì)為YSZ,氧電極為鑭鍶鈷鐵(LSCF),緩沖層為釓摻雜的氧化鈰(CGO),集流體分別采用Ni網(wǎng)和鈣摻雜的鉻酸鑭(LCC),單片的有效面積為80cm2,圖2為電池片及電堆結(jié)構(gòu)示意圖。由于電堆的電化學(xué)阻抗譜測量與鈕扣小電池存在諸多不同(更低的阻抗、更高的電流、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)),測試選用美國Gamry公司生產(chǎn)的燃料電池阻抗譜測量裝置—FC350,頻率范圍為10Hz~20kHz。采用Aglient公司的N5763A恒流恒壓電源。采用Hcherl&Hackl公司的ZS4812電子負載。電堆測試采用兩套測試系統(tǒng)(自主研發(fā)):一套用于常規(guī)測試,如電壓–電流曲線測試、恒流/恒壓電解過程中的電壓/電流監(jiān)測等;另一套進行電化學(xué)阻抗譜測試。實驗最終確定的阻抗譜測試參數(shù)如表1所示。1.3數(shù)據(jù)可靠性驗證由于實際的電化學(xué)體系本身是非線性、不穩(wěn)定的,或者所采用的阻抗譜測量電路、參數(shù)、方法不合理,會導(dǎo)致測得的電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)不能真實反映所測電化學(xué)體系的內(nèi)在特性,因此,測量得到的阻抗譜數(shù)據(jù)必須首先經(jīng)過驗證,確保其滿足因果圖2電池片與電堆結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Sketchofsolidoxidecellandstack表1阻抗測試參數(shù)Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、穩(wěn)定性和線性條件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig關(guān)系檢驗數(shù)據(jù)可靠性[7]。對于一組阻抗譜數(shù)據(jù),K-K轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)互相擬合所得誤差應(yīng)處于10-5~10-6之間,數(shù)據(jù)可接受。另一方面,以擬合數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)二者的殘差作圖,殘差應(yīng)當均勻地分布在橫軸兩側(cè)。K-K結(jié)果同?

fsolidoxidecellandstack表1阻抗測試參數(shù)Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、穩(wěn)定性和線性條件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig關(guān)系檢驗數(shù)據(jù)可靠性[7]。對于一組阻抗譜數(shù)據(jù),K-K轉(zhuǎn)換前的數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)互相擬合所得誤差應(yīng)處于10-5~10-6之間,數(shù)據(jù)可接受。另一方面,以擬合數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)二者的殘差作圖,殘差應(yīng)當均勻地分布在橫軸兩側(cè)。K-K結(jié)果同時符合上述兩個條件,所測得的數(shù)據(jù)可靠。本實驗中典型K-K關(guān)系驗證如圖3所示,擬合誤差為2.01×10-6,數(shù)據(jù)可用于后續(xù)分析計算,且實部和虛部的殘差較均勻分布在橫軸兩側(cè),可真實反映待測電化學(xué)體系的性質(zhì)。為了進一步驗證所測電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù),在正式實驗前預(yù)先測量一個兩片電堆在800℃,原料氣含水量為50%(相同電流密度下,燃料利用率相等)下,在SOFC/SOEC運行模式的阻抗譜和電壓–電流曲線,如圖4所示。根據(jù)阻抗譜數(shù)據(jù)和電壓–電流(I-V)曲線數(shù)據(jù)計算得到的電池片面電阻對比見表2�？梢姛o論在燃料電池模式還是電解池模式下,采用阻抗譜測量得到的面電阻與I-V測試方法所得的面電阻基本一致。由此可以確定阻抗譜測量方法的可靠性和準確性。2結(jié)果與討論2.1四片電堆的初始性能采用上述阻抗譜測試裝置和參數(shù),對一個四片圖3典型的K-K關(guān)系圖Fig.3Kramers-Kronigtestresidualsofatypicalimpedancespectrum

【參考文獻】：
期刊論文
[1]單體固體氧化物電解池極化損失分析及陰極微結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 于波,劉明義,張文強,張平,徐景明.  物理化學(xué)學(xué)報. 2011(02)



本文編號：3479491