化学学报 ›› 2021, Vol. 79 ›› Issue (6): 763-770.DOI: 10.6023/A21020065 上一篇 下一篇
研究论文
吕泽伟a, 韩敏芳a,*(), 孙再洪a,b, 孙凯华a,b
投稿日期:
2021-02-22
发布日期:
2021-05-07
通讯作者:
韩敏芳
基金资助:
Zewei Lyua, Minfang Hana(), Zaihong Suna,b, Kaihua Suna,b
Received:
2021-02-22
Published:
2021-05-07
Contact:
Minfang Han
Supported by:
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固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)是一种清洁高效的发电装置, 其运行中的性能衰减受到众多因素的影响, 如何分辨这些因素的贡献、并在此基础上确定衰减的主导因素, 对于更有针对性地提升SOFC的运行寿命至关重要. 广泛的测试结果表明, SOFC的电化学性能在运行初期(约前100 h)会发生最为显著且复杂的变化, 但是对其演变机制还没有形成清晰的认识. 本工作基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)分析方法分别研究了工业尺寸电池(100 cm2)和纽扣电池(0.45 cm2)在运行初期的电化学性能演变规律, 得到了关于电池性能和电极微观结构演变机制的一致性规律. 电池在运行初期依次经历活化阶段和老化阶段: 活化阶段阳极孔隙率增加、气相扩散过程改善, 电池性能逐渐上升; 老化阶段阳极Ni颗粒发生烧结团聚, 有效三相界面长度显著降低, 阳极界面反应过程劣化, 电池性能逐渐下降. 各阶段的持续时间、性能变化幅度会受到电池制备工艺的影响. 本工作提出的运行初期电化学性能演变机制能够为进一步研究SOFC的长期稳定性奠定基础.
吕泽伟, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华. 固体氧化物燃料电池运行初期电化学性能演变机制[J]. 化学学报, 2021, 79(6): 763-770.
Zewei Lyu, Minfang Han, Zaihong Sun, Kaihua Sun. Evolution of Electrochemical Characteristics of Solid Oxide Fuel Cells During Initial-Stage Operation[J]. Acta Chimica Sinica, 2021, 79(6): 763-770.
Peak | P0 | P1 | P2 | P3 | P4 | P5 |
---|---|---|---|---|---|---|
τ/sa | <1×10-5 | 2×10-5~1×10-4 | 1×10-4~1×10-3 | 1×10-3~8×10-3 | 9×10-3~9×10-2 | 1×10-1~2×100 |
Process | Calculation deviation caused by inductance | Ionic transport in anode bulk | Anode charge transfer reaction | O2 surface exchange & diffusion in cathode | Anode gas-phase diffusion | Anode gas conversion and diffusion |
Peak | P0 | P1 | P2 | P3 | P4 | P5 |
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τ/sa | <1×10-5 | 2×10-5~1×10-4 | 1×10-4~1×10-3 | 1×10-3~8×10-3 | 9×10-3~9×10-2 | 1×10-1~2×100 |
Process | Calculation deviation caused by inductance | Ionic transport in anode bulk | Anode charge transfer reaction | O2 surface exchange & diffusion in cathode | Anode gas-phase diffusion | Anode gas conversion and diffusion |
[1] |
Vora, S. D.; Jesionowski, G.; Williams, M. C. ECS Trans. 2019, 91, 27.
doi: 10.1149/09101.0027ecst |
[2] |
Ghezel-Ayagh, H.; Borglum, B. P. ECS Trans. 2017, 78, 77.
doi: 10.1149/07801.0077ecst |
[3] |
Trini, M.; Hauch, A.; De Angelis, S.; Tong, X.; Hendriksen, P. V.; Chen, M. J. Power Sources 2020, 450, 227599.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227599 |
[4] |
Papurello, D.; Lanzini, A.; Fiorilli, S.; Smeacetto, F.; Singh, R.; Santarelli, M. Chem. Eng. J. 2016, 283, 1224.
doi: 10.1016/j.cej.2015.08.091 |
[5] |
Chen, Y.; deGlee, B.; Tang, Y.; Wang, Z.; Zhao, B.; Wei, Y.; Zhang, L.; Yoo, S.; Pei, K.; Kim, J. H.; Ding, Y.; Hu, P.; Tao, F. F.; Liu, M. Nat. Energy 2018, 3, 1042.
doi: 10.1038/s41560-018-0262-5 |
[6] |
Wang, H.; Sumi, H.; Barnett, S. A. Solid State Ionics 2018, 323, 85.
doi: 10.1016/j.ssi.2018.05.019 |
[7] |
Jia, C.; Wang, Y.; Molin, S.; Zhang, Y.; Chen, M.; Han, M. J. Alloys Compd. 2019, 787, 1327.
doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.015 |
[8] |
Shi, W.; Jia, C.; Zhang, Y.; Lü, Z.; Han, M. Acta Phys.-Chim. Sin. 2019, 35, 509. (in Chinese)
doi: 10.3866/PKU.WHXB201806071 |
(施王影, 贾川, 张永亮, 吕泽伟, 韩敏芳, 物理化学学报, 2019, 35, 509.)
|
|
[9] |
Cui, T.; Li, H.; Lyu, Z.; Wang, Y.; Han, M.; Sun, Z.; Sun, K. Acta Phys.-Chim. Sin. 2021, 37, 2011009. (in Chinese)
|
(崔同慧, 李航越, 吕泽伟, 王怡戈, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华, 物理化学学报, 2021, 37, 2011009.)
|
|
[10] |
Lyu, Z.; Li, H.; Wang, Y.; Han, M. J. Power Sources 2021, 485, 229237.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.229237 |
[11] |
Shi, W.; Lyu, Z.; Han, M. ECS Trans. 2019, 91, 791.
doi: 10.1149/09101.0791ecst |
[12] |
Koch, S.; Hendriksen, P. V.; Mogensen, M.; Liu, Y.-L.; Dekker, N.; Rietveld, B.; de Haart, B.; Tietz, F. Fuel Cells 2006, 6, 130.
doi: 10.1002/(ISSN)1615-6854 |
[13] |
Haanappel, V. A. C.; Mai, A.; Mertens, J. Solid State Ionics 2006, 177, 2033.
doi: 10.1016/j.ssi.2005.12.038 |
[14] |
Fang, Q.; Blum, L.; Stolten, D. J. Electrochem. Soc. 2019, 166, F1320.
|
[15] |
Klotz, D.; Weber, A.; Ivers-Tiffée, E. Electrochim. Acta 2017, 227, 110.
doi: 10.1016/j.electacta.2016.12.148 |
[16] |
Sun, X.; Hendriksen, P. V.; Mogensen, M. B.; Chen, M. Fuel Cells 2019, 19, 740.
doi: 10.1002/fuce.v19.6 |
[17] |
Sumi, H.; Shimada, H.; Yamaguchi, Y.; Yamaguchi, T.; Fujishiro, Y. Electrochim. Acta 2020, 339, 135913.
doi: 10.1016/j.electacta.2020.135913 |
[18] |
Wang, Y.; Lyu, Z.; Han, M.; Sun, Z.; Sun, K. ECS Trans. 2021, 103, I01-0047.
|
[19] |
Koch, S.; Mogensen, M.; Hendriksen, P. V.; Dekker, N.; Rietveld, B. Fuel Cells 2006, 6, 117.
doi: 10.1002/(ISSN)1615-6854 |
[20] |
Xiang, Y.; Da, Y.; Shikazono, N.; Jiao, Z. J. Power Sources 2020, 477, 228653.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228653 |
[21] |
Ivers-Tiffée, E.; Weber, A. J. Ceram. Soc. Jpn. 2017, 125, 193.
doi: 10.2109/jcersj2.16267 |
[22] |
Boukamp, B. A.; Rolle, A. Solid State Ionics 2018, 314, 103.
doi: 10.1016/j.ssi.2017.11.021 |
[23] |
Jiao, Z.; Shikazono, N. J. Electrochem. Soc. 2018, 165, F55.
doi: 10.1149/2.0681802jes |
[24] |
Mogensen, M. B.; Hauch, A.; Sun, X.; Chen, M.; Tao, Y.; Ebbesen, S. D.; Hansen, K. V.; Hendriksen, P. V. Fuel Cells 2017, 17, 434.
doi: 10.1002/fuce.201600222 |
[25] |
Jiao, Z.; Takagi, N.; Shikazono, N.; Kasagi, N. J. Power Sources 2011, 196, 1019.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.047 |
[26] |
Jiao, Z.; Busso, E. P.; Shikazono, N. J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 024516.
doi: 10.1149/1945-7111/ab6f5b |
[27] |
Wang, J.; Huang, Q.; Li, W.; Wang, J.; Zhuang, Q.; Zhang, J. J. Electrochem. 2020, 26, 607. (in Chinese)
|
(王佳, 黄秋安, 李伟恒, 王娟, 庄全超, 张久俊, 电化学, 2020, 26, 607.)
|
|
[28] |
Leonide, A.; Sonn, V.; Weber, A.; Ivers-Tiffée, E. J. Electrochem. Soc. 2008, 155, B36.
doi: 10.1149/1.2801372 |
[29] |
Endler, C.; Leonide, A.; Weber, A.; Tietz, F.; Ivers-Tiffée, E. J. Electrochem. Soc. 2010, 157, B292.
doi: 10.1149/1.3270047 |
[1] | 苑志祥, 张浩, 胡思伽, 张波涛, 张建军, 崔光磊. 离子聚合原位固态化构建高安全锂电池固态聚合物电解质的研究进展★[J]. 化学学报, 2023, 81(8): 1064-1080. |
[2] | 高丰琴, 刘洋, 张引莉, 蒋育澄. 羧基功能化Fe3O4固定化酶反应器的构筑及性能研究[J]. 化学学报, 2023, 81(4): 338-344. |
[3] | 查汉, 房进, 闫翎鹏, 杨永珍, 马昌期. 有机太阳能电池热失效机制及三元共混提升其热稳定性研究进展[J]. 化学学报, 2023, 81(2): 131-145. |
[4] | 王怡戈, 李航越, 吕泽伟, 韩敏芳, 孙凯华. 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[J]. 化学学报, 2022, 80(8): 1091-1099. |
[5] | 刘彦甫, 李世麟, 荆亚楠, 肖林格, 周惠琼. 有机太阳能电池性能衰减机理研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(7): 993-1009. |
[6] | 许宁, 乔庆龙, 刘晓刚, 徐兆超. 基于抑制扭转的分子内电荷转移(TICT)提升有机小分子荧光染料亮度及光稳定性※[J]. 化学学报, 2022, 80(4): 553-562. |
[7] | 戴敏, 雷钢铁, 张钊, 李智, 曹湖军, 陈萍. 五氧化二钒促进MgH2/Mg室温吸氢※[J]. 化学学报, 2022, 80(3): 303-309. |
[8] | 田宋炜, 周丽雪, 张秉乾, 张建军, 杜晓璠, 张浩, 胡思伽, 苑志祥, 韩鹏献, 李素丽, 赵伟, 周新红, 崔光磊. 聚环氧乙烷聚合物电解质基高电压固态锂金属电池的研究进展[J]. 化学学报, 2022, 80(10): 1410-1423. |
[9] | 龚政, 张意, 吕华, 崔树勋. 脯氨酸聚酯的单链力学性质[J]. 化学学报, 2022, 80(1): 7-10. |
[10] | 孙稷, 易玖琦, 程龙玖. 定向Monte Carlo格点搜索算法用于氧化铝团簇(Al2O3)n (n=1~50)的结构搜索[J]. 化学学报, 2021, 79(9): 1154-1163. |
[11] | 苗俊辉, 丁自成, 刘俊, 王利祥. 小分子给体/高分子受体型有机太阳能电池研究进展[J]. 化学学报, 2021, 79(5): 545-556. |
[12] | 刘长安, 洪士博, 李蓓. 石墨烯在甘油/尿素剥离液中的稳定行为的分子动力学模拟研究[J]. 化学学报, 2021, 79(4): 530-538. |
[13] | 赵添堃, 王鹏, 姬明宇, 李善家, 杨明俊, 蒲秀瑛. Salan钛双齿配合物的Sonogashira合成后修饰反应研究[J]. 化学学报, 2021, 79(11): 1385-1393. |
[14] | 边洋爽, 刘凯, 郭云龙, 刘云圻. 功能性可拉伸有机电子器件的研究进展[J]. 化学学报, 2020, 78(9): 848-864. |
[15] | 张晋维, 李平, 张馨凝, 马小杰, 王博. 水稳定性金属有机框架材料的水吸附性质与应用[J]. 化学学报, 2020, 78(7): 597-612. |
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