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應用領域，金屬支撐固體氧化物燃料電池SOFC具有很高的應用潛力。然而，為實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用，金屬支撐SOFC技術在高成本和低可靠性上必須取得實質性突破。在面對上述挑戰(zhàn)的持續(xù)努力中，電池性能優(yōu)化測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，也稱為電化學阻抗譜，被廣泛用來作為電池性能評價和退化診斷分析。本文主要采用交流阻抗譜及其模型診斷方法，并結合電壓一電流一功率密度極化曲線、掃描電子顯微鏡技術、能

2、量分散x射線技術、x射線衍射技術以及熱循環(huán)分析方法，研究金屬支撐SOFC極化特性，診斷電池退化機理，以及評價電池動態(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樣品SS430/NiO—SDC/ScSz/SDC/SSCo—SDC和Hastelloy X/NiO—SDC/SDC/SSCo—SDC：是本文研究對象，討論主要集中在電池結構、關鍵材料、制造流程以及在本工作中所采用的表征方法。本文也對燃料電池的交流阻抗譜診斷的

3、本質進行了討論，并首次從模式識別和系統(tǒng)診斷的視角給出阻抗譜診斷的理論架構，該架構主要由六個狀態(tài)和五個動作構成。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領域中診斷特點。
　　 基于SOFC：交流阻抗譜等價電路模型，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，從電化學角度比較和分析SDC單電解質層和雙電解質層SSCo/SDC結構金屬支撐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，重點關注陰極交換電流密度、極化損失以及最大功率密度。試驗和仿真結果說明，運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退化機理，本文提出一個混合電子離子導體等價電路模型。在金屬支撐SOFC領域，本文提出的等價電路模型首次將

5、退化診斷分析所必須的參數(shù)有效關聯(lián)，而且，該模型具有良好的數(shù)學可解析性。該等價電路模型的診斷結果表明，在450～600℃溫度范圍，高接觸電阻是阻礙金屬支撐SOFC性能的關鍵因素。試驗觀測到的金屬支撐體鄺日極界面氧化物薄膜以及電解質/陰極界面弱的結合力可能對高的接觸電阻負責，此觀測結果也驗證了本文提出等價電路模型的有效性。另外，借助提出的等價電路模型，定量評價了金屬支撐SOFC內(nèi)部電子傳導。
　　 同時，為了評價金屬支撐SOFC動態(tài)

6、性能，本文進行了熱循環(huán)測試實驗。在15次熱循環(huán)測試期間，電池開路電壓維持相對恒定，然而，交流阻抗譜結果顯示，電池性能退化相當明顯。相對恒定的開路電壓顯示，電解質層經(jīng)受住了熱沖擊，此受益于金屬支撐體良好的導熱性和延展性。實驗觀測到的電池性能退化現(xiàn)象很可能歸咎于電解質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，此結論同由等價電路模型推導出的電池退化機理相吻合，也再次驗證了本文提出等價電路模型診斷結果的有效性。
　　 綜上所述