凝聚態(tài)-基于材料結(jié)構(gòu)演化的固體氧化物燃料電池性能退化模擬分析課件

1、基于材料結(jié)構(gòu)演化的固體氧化物燃料電池性能退化模擬分析導(dǎo) 師： 林子敬 教授主講人： 朱江院 系： 物理系能源問題非常嚴(yán)竣化石能源仍然是現(xiàn)階段能源結(jié)構(gòu)的主體。傳統(tǒng)能源使用過程中造成污染如何高效清潔地使用能源成為一項(xiàng)重要課題研究背景固體氧化物燃料電池（SOFC）可以直接使用化石能源或生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化來的碳?xì)浠衔镒鰹槿剂?，將其高效地轉(zhuǎn)化為電能的裝置，并且運(yùn)行中污染物排放量低，是一種理想的能源利用裝置。研究背景SOFC的優(yōu)點(diǎn)（1）燃料靈活（2）結(jié)構(gòu)靈活，易于組裝（3）催化劑成本低（4）效率高（5）污染小面臨的問題：1. 電池系統(tǒng)成本較高 2. 電池壽命長度不夠 研究背景限制SOFC長期性能的因素電池結(jié)

2、構(gòu)SOFC結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)材料連接體SS430陽極Ni-YSZ電解質(zhì)YSZ陰極LSM-YSZ電池模擬質(zhì)量輸運(yùn)動(dòng)量輸運(yùn)能量輸運(yùn)電荷輸運(yùn)電化學(xué)反應(yīng)SOFC多物理場電荷輸運(yùn)方程電化學(xué)反應(yīng)控制方程氣體輸運(yùn)控制方程連接體連接體退化主要來自材料氧化導(dǎo)致的電阻增大不銹鋼材料SS430氧化氧化層生長速度優(yōu)化：添加涂層可以有效減緩氧化速度連接體(a)Increase of ASR (b)degradation of cell performance caused by the growth of interconnect oxide scale (a) (b)陽極造成電池性能下降的材料退化過程主要是Ni的粗化陽極

3、Ni顆粒半徑的增長會(huì)導(dǎo)致陽極電化學(xué)反應(yīng)三相區(qū)面積的縮小和電子電導(dǎo)率的下降陽極Degradation of cell performance caused by the coarsening of anode Ni particle優(yōu)化：通過調(diào)整陽極Ni顆粒的初始半徑與YSZ顆粒的初始半徑之比可以極大地削弱這一退化陽極當(dāng)陽極電子電導(dǎo)率超過一定值時(shí)，電導(dǎo)率繼續(xù)增加對于電池性能的影響微乎其微。電解質(zhì)電解質(zhì)的性能退化來自于YSZ在高溫下離子電導(dǎo)率的下降。電解質(zhì)(a) The decrease of ionic conductivity of YSZ with time, (b) degradation

4、 of cell performance caused by the phase transition of YSZ (a) (b)陰極LSM與YSZ在燒結(jié)陰極時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絕緣相，導(dǎo)致陰極電導(dǎo)率下降(通常燒結(jié)溫度在1200度以上）對于SOFC正常工作溫度（600-800度），此化學(xué)反應(yīng)不會(huì)發(fā)生，所以從長期性能來考慮，LSM-YSZ陰極十分穩(wěn)定電池整體Performance degradation due to the structural changes of interconnect, anode, electrolyte and cathode綜合考慮電池各組件的材料退化，在進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理后，可以保證電池的長