交流阻抗固体氧化物燃料电池.ppt

交流阻抗谱技术用于固体氧化物燃料电池的研究 报告内容 什么是交流阻抗谱（IS）？ 交流阻抗谱的测量技术 阻抗谱测量的测量方式与参数选择 交流阻抗谱的数据分析 阻抗谱技术在SOFC研究中的应用实例 电解质新材料研究 器件制备工艺研究 SOFC电极极化研究 SOFC单电池与电池组（堆）的阻抗谱 交流阻抗谱的数据分析 直接读取数据 基于等效电路模型（ECM）的拟合 电化学阻抗模型（EIM） 微分阻抗分析（DIA） 态空间模型 结论 阻抗谱技术可以在SOFC研究中得到以下应用： 测量SOFC的电解质材料电导率，区分晶粒和晶界对电阻的贡献。 优化SOFC的电解质器件制备工艺和电极制备工艺，分析工艺对器件电性能的影响机制。 分析电极反应机理，确定速度控制步骤。 分析单电池和电池堆中各种因素对电池（堆）内阻的影响。 600?C不同放电电压条件下的阻抗谱 欧姆电阻增大 极化电阻增大 600 oC欧姆阻抗，界面阻抗和总阻抗与电池电压的关系 保持H2流量（20mL/min）而改变O2流量阻抗谱的变化 与扩散、吸附与解离过程相关的低频弧有很明显变化 (Ba0.5Sr0.5)0.9Sm0.1Co0.8Fe0.2O3-?（BSSCF10）阴极的阻抗谱 BSSCF10/SDC半电池 BSSCF10/SDC/Ni-SDC薄膜燃料电池 SDC燃料电池等效电路 M.L. Liu et al, J. Electrochem. Soc., 1996, 143: L109~L112 混合导体电解质上极化电阻的计算： 单电池测试中，欧姆电阻等同于电解质电阻吗？ 10-5~10-3 102～103 102～103 阳极 （Ni-YSZ,Ni-SDC） 10-5～10-3 101～102 101～102 阴极 （LSM, LSCF, BSCF） 10-2～101 101～103 10-2～10-1 电解质 （YSZ、SDC） ASR （??cm2） 厚度 （?m） 电导率? （S?cm-1） 材料 还有其他对欧姆电阻有贡献的因素么？ 如果有，如何判别和区分？ 不同厚度的YSZ薄膜燃料电池欧姆电阻Arrhenius图 厚度越薄 ASROhmic越大； 斜率K越小 活化能不是定值? Lü Zhe et al., SOFC-X, ECS transactions, 7(1)2155-2160(2007) 83.1?1.5 62.8?8.6 69.7?0.7 54.3?2.4 活化能(kJ/mol) 0.0354 0.0312 0.0257 0.025 电导率(S.cm-1) 35.4 22.8 11.3 7.5 厚度（?m） YSZRelectrolyte Ranode Rcathode Rcollector-A Rcollector-C 阳极Ag集流体 ; 10?m Ni-YSZ;阳极支撑体 ~500?m) YSZ膜 ，~10?m LSM-SDC阴极 ~10?m) (Ag; 集流体10?m 不同厚度YSZ薄膜的表观电导率和活化能 欧姆电阻与薄膜厚度的关系 纵轴截距并不为0！ 不同厚度薄膜“电导率”与拟合计算出的YSZ电导率的Arrhenius图对比 薄膜“电导率”偏低，活化能偏小。 拟合得到的结果更接近实际YSZ的电导率和活化能的数值。 0.62?0.02 0.86?0.01 0.213?0.003 cell-2 0.64?0.02 0.791?0.006 0.237?0.002 cell-1 1.26?0.03 1.58?0.04 0.427?0.004 Stack R3 (?) R2 (?) R1 (?) 650 ?C (1:1) 2节单气室SOFC短电池堆的阻抗谱 Mingliang Liu, Zhe Lü et al., J. Electrochem. Soc., 154(6)(2007)B588-B592. 阻抗谱拟合结果 * * 什么是交流阻抗谱（IS）？ 交流电电压 （幅度，相位） 元器件(R、C、L等）网络 交流电电流 （幅度，相位） t u(t) O Umax -Umax T T t i(t) O Imax -Imax T ? 复阻抗 改变频率测量 阻抗谱 -Z’’ lg ? |Z| -? (b) Z’ ? (a) ? |Z(?)| 复平面阻抗谱图（Niquist图） Bode图 Z ’ Z ” 交流阻抗谱的测量技术 交流电桥——宽频数字电桥 示波器李萨如图——信号源+示波器（XY记录仪） 锁相放大器——信号源+锁相放大器 相关检测技术——阻抗分析仪（+电化学界面） 频域方法 时域方法 变换 随时间变化的电流和电压信号快速采集 Laplace 或 Fourier 暂态过程 阻抗谱测量方式与参数选择 屏蔽电缆 电极 IH IL