基于DRT和ADIS的SOFC/SOEC电堆电化学阻抗谱研究
发布时间：2021-11-06 08:22
固体氧化物燃料电池（SOFC）和固体氧化物电解池（SOEC）电堆的电化学分析和诊断是国际上的研究难点。明确多片电堆的本征电化学反应机理和性能规律,是SOFC/SOEC技术实用化的关键。本研究采用弛豫时间分布法（DRT）耦合阻抗谱差异分析法（ADIS）对电堆在燃料电池模式和电解池模式下的复杂电化学行为进行了研究,通过弛豫时间解析出各个过程对应的特征峰,区分出不同的物理化学过程。研究表明,电堆在SOFC模式运行时,其氢电极含水量应大于20%,而SOEC模式运行时,含水量应小于80%,以最小化电池的气体扩散阻抗。本方法可应用于SOFC/SOEC电堆的分析诊断,简化电堆测量分析的复杂性,有助于电堆衰减机理和原因的实时诊断,并对电堆性能提高给出理论依据和指导建议。
【文章来源】：无机材料学报. 2016,31(12)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
EIS分析流程图
第12期王雪,等:基于DRT和ADIS的SOFC/SOEC电堆电化学阻抗谱研究12811.2电堆阻抗测试系统实验使用四片电堆,电池片组成为Ni-YSZ/YSZ/CGO/LSCF,其中氢电极采用Ni-YSZ,电解质为YSZ,氧电极为镧锶钴铁(LSCF),缓冲层为钆掺杂的氧化铈(CGO),集流体分别采用Ni网和钙掺杂的铬酸镧(LCC),单片的有效面积为80cm2,图2为电池片及电堆结构示意图。由于电堆的电化学阻抗谱测量与钮扣小电池存在诸多不同(更低的阻抗、更高的电流、更复杂的结构),测试选用美国Gamry公司生产的燃料电池阻抗谱测量装置—FC350,频率范围为10Hz~20kHz。采用Aglient公司的N5763A恒流恒压电源。采用Hcherl&Hackl公司的ZS4812电子负载。电堆测试采用两套测试系统(自主研发):一套用于常规测试,如电压–电流曲线测试、恒流/恒压电解过程中的电压/电流监测等;另一套进行电化学阻抗谱测试。实验最终确定的阻抗谱测试参数如表1所示。1.3数据可靠性验证由于实际的电化学体系本身是非线性、不稳定的,或者所采用的阻抗谱测量电路、参数、方法不合理,会导致测得的电化学阻抗谱数据不能真实反映所测电化学体系的内在特性,因此,测量得到的阻抗谱数据必须首先经过验证,确保其满足因果图2电池片与电堆结构示意图Fig.2Sketchofsolidoxidecellandstack表1阻抗测试参数Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、稳定性和线性条件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig关系检验数据可靠性[7]。对于一组阻抗谱数据,K-K转换前的数据与转换后的数据互相拟合所得误差应处于10-5~10-6之间,数据可接受。另一方面,以拟合数据和实际数据二者的残差作图,残差应当均匀地分布在横轴两侧。K-K结果同?
fsolidoxidecellandstack表1阻抗测试参数Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、稳定性和线性条件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig关系检验数据可靠性[7]。对于一组阻抗谱数据,K-K转换前的数据与转换后的数据互相拟合所得误差应处于10-5~10-6之间,数据可接受。另一方面,以拟合数据和实际数据二者的残差作图,残差应当均匀地分布在横轴两侧。K-K结果同时符合上述两个条件,所测得的数据可靠。本实验中典型K-K关系验证如图3所示,拟合误差为2.01×10-6,数据可用于后续分析计算,且实部和虚部的残差较均匀分布在横轴两侧,可真实反映待测电化学体系的性质。为了进一步验证所测电化学阻抗谱数据,在正式实验前预先测量一个两片电堆在800℃,原料气含水量为50%(相同电流密度下,燃料利用率相等)下,在SOFC/SOEC运行模式的阻抗谱和电压–电流曲线,如图4所示。根据阻抗谱数据和电压–电流(I-V)曲线数据计算得到的电池片面电阻对比见表2。可见无论在燃料电池模式还是电解池模式下,采用阻抗谱测量得到的面电阻与I-V测试方法所得的面电阻基本一致。由此可以确定阻抗谱测量方法的可靠性和准确性。2结果与讨论2.1四片电堆的初始性能采用上述阻抗谱测试装置和参数,对一个四片图3典型的K-K关系图Fig.3Kramers-Kronigtestresidualsofatypicalimpedancespectrum
【参考文献】：
期刊论文
[1]单体固体氧化物电解池极化损失分析及阴极微结构优化[J]. 于波,刘明义,张文强,张平,徐景明. 物理化学学报. 2011(02)
本文编号：3479491
【文章来源】：无机材料学报. 2016,31(12)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
EIS分析流程图
第12期王雪,等:基于DRT和ADIS的SOFC/SOEC电堆电化学阻抗谱研究12811.2电堆阻抗测试系统实验使用四片电堆,电池片组成为Ni-YSZ/YSZ/CGO/LSCF,其中氢电极采用Ni-YSZ,电解质为YSZ,氧电极为镧锶钴铁(LSCF),缓冲层为钆掺杂的氧化铈(CGO),集流体分别采用Ni网和钙掺杂的铬酸镧(LCC),单片的有效面积为80cm2,图2为电池片及电堆结构示意图。由于电堆的电化学阻抗谱测量与钮扣小电池存在诸多不同(更低的阻抗、更高的电流、更复杂的结构),测试选用美国Gamry公司生产的燃料电池阻抗谱测量装置—FC350,频率范围为10Hz~20kHz。采用Aglient公司的N5763A恒流恒压电源。采用Hcherl&Hackl公司的ZS4812电子负载。电堆测试采用两套测试系统(自主研发):一套用于常规测试,如电压–电流曲线测试、恒流/恒压电解过程中的电压/电流监测等;另一套进行电化学阻抗谱测试。实验最终确定的阻抗谱测试参数如表1所示。1.3数据可靠性验证由于实际的电化学体系本身是非线性、不稳定的,或者所采用的阻抗谱测量电路、参数、方法不合理,会导致测得的电化学阻抗谱数据不能真实反映所测电化学体系的内在特性,因此,测量得到的阻抗谱数据必须首先经过验证,确保其满足因果图2电池片与电堆结构示意图Fig.2Sketchofsolidoxidecellandstack表1阻抗测试参数Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、稳定性和线性条件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig关系检验数据可靠性[7]。对于一组阻抗谱数据,K-K转换前的数据与转换后的数据互相拟合所得误差应处于10-5~10-6之间,数据可接受。另一方面,以拟合数据和实际数据二者的残差作图,残差应当均匀地分布在横轴两侧。K-K结果同?
fsolidoxidecellandstack表1阻抗测试参数Table1EIStestparametersItemParameterDCcurrent/A5ACcurrent/A2Frequencyrange/kHz10Numberoftestpoints10性、稳定性和线性条件方可用于分析。通常采用Kramers-Kronig关系检验数据可靠性[7]。对于一组阻抗谱数据,K-K转换前的数据与转换后的数据互相拟合所得误差应处于10-5~10-6之间,数据可接受。另一方面,以拟合数据和实际数据二者的残差作图,残差应当均匀地分布在横轴两侧。K-K结果同时符合上述两个条件,所测得的数据可靠。本实验中典型K-K关系验证如图3所示,拟合误差为2.01×10-6,数据可用于后续分析计算,且实部和虚部的残差较均匀分布在横轴两侧,可真实反映待测电化学体系的性质。为了进一步验证所测电化学阻抗谱数据,在正式实验前预先测量一个两片电堆在800℃,原料气含水量为50%(相同电流密度下,燃料利用率相等)下,在SOFC/SOEC运行模式的阻抗谱和电压–电流曲线,如图4所示。根据阻抗谱数据和电压–电流(I-V)曲线数据计算得到的电池片面电阻对比见表2。可见无论在燃料电池模式还是电解池模式下,采用阻抗谱测量得到的面电阻与I-V测试方法所得的面电阻基本一致。由此可以确定阻抗谱测量方法的可靠性和准确性。2结果与讨论2.1四片电堆的初始性能采用上述阻抗谱测试装置和参数,对一个四片图3典型的K-K关系图Fig.3Kramers-Kronigtestresidualsofatypicalimpedancespectrum
【参考文献】：
期刊论文
[1]单体固体氧化物电解池极化损失分析及阴极微结构优化[J]. 于波,刘明义,张文强,张平,徐景明. 物理化学学报. 2011(02)
本文编号：3479491
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