固體氧化物燃料電池電極的非線性阻抗譜研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)的開(kāi)發(fā)有望緩解人類(lèi)對(duì)電力需求增加的壓力、擺脫或減輕國(guó)家對(duì)石油進(jìn)口的依賴(lài),SOFC較少排放污染氣體和溫室氣體對(duì)環(huán)境影響小,它還具有有較高功率和高能源轉(zhuǎn)換效率。因此,SOFC被世界各國(guó)競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)。在不斷探索新的SOFC材料過(guò)程中,材料的電化學(xué)性能測(cè)試必不可少。目前,線性阻抗譜測(cè)量是被廣泛應(yīng)用在電極和電解質(zhì)的電化學(xué)性能診斷和評(píng)估中的一種重要方法,通常在交流阻抗譜測(cè)試時(shí)需要施加小擾動(dòng)電壓來(lái)抑制其非線性響應(yīng),根據(jù)

2、這種在小的擾動(dòng)電壓下測(cè)試到的線性交流阻抗譜,可以分析電極和電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程。然而,實(shí)際的固體氧化物燃料電池電極是一個(gè)非線性的系統(tǒng),所以在線性條件下進(jìn)行的電化學(xué)分析結(jié)果只是一個(gè)近似,而不能完全反映固體氧化物燃料電池內(nèi)部真正的電化學(xué)過(guò)程,基于這個(gè)原因,本課題開(kāi)展了固體氧化物燃料電池電極非線性阻抗測(cè)試系統(tǒng)的研究。
　　非線性阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)主要構(gòu)成部分為多功能數(shù)字鎖相放大器。在設(shè)計(jì)固體氧化物燃料電池電極非線性阻抗測(cè)試系統(tǒng)之前,首

3、先對(duì)鎖相放大器的性能進(jìn)行測(cè)試和初步開(kāi)發(fā),建立了一個(gè)包含電流取樣電路在內(nèi)的由VB測(cè)試軟件控制鎖相放大器的無(wú)源阻抗測(cè)試系統(tǒng)。用這個(gè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了導(dǎo)線電阻及其隨時(shí)間的變化曲線,并進(jìn)行了高溫電阻測(cè)量和小電流下的阻容元件的阻抗譜測(cè)量。用此系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)線電阻測(cè)試的結(jié)果顯示,在30min之內(nèi)導(dǎo)線的電阻只增加了0.3％,所以用小電流對(duì)那些對(duì)溫度很敏感的材料進(jìn)行電阻率測(cè)試是很有必要的;由無(wú)源阻抗測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高溫電阻的測(cè)量結(jié)果顯示,無(wú)源阻抗測(cè)試系統(tǒng)的電阻量程可

4、以達(dá)到10-3Ω或者更低;由無(wú)源阻抗測(cè)試系統(tǒng)對(duì)在小電流情況下的阻容元件的阻抗譜測(cè)試結(jié)果與成品雙通道恒電位儀(電化學(xué)工作站)測(cè)試結(jié)果基本相同,由此證明本課題研發(fā)的這種基于鎖相放大器的無(wú)源阻抗測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果是可靠的。
　　在此基礎(chǔ)上,為了提供燃料電池電極和電池測(cè)試所需的較大的電流、電壓條件,專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并制作了包含直流電源在內(nèi)、具有一定交流頻帶寬度并具有恒電壓/恒電流控制功率輸出功能的非線性阻抗測(cè)試電路,以鎖相放大器為信號(hào)源和測(cè)量?jī)x表

5、,用VB語(yǔ)言編寫(xiě)了測(cè)試軟件,構(gòu)成了完整的非線性阻抗譜測(cè)試系統(tǒng)。利用此非線性阻抗測(cè)試系統(tǒng),首先測(cè)試了具有非線性特性的反接并聯(lián)二極管電路網(wǎng)絡(luò)和二極管-電容電路網(wǎng)絡(luò)的非線性電流信號(hào),得到的高階電流信號(hào)的模擬曲線與根據(jù)二極管方程進(jìn)行理論計(jì)算得出的曲線幾乎完全重合,這說(shuō)明在一定擾動(dòng)電壓下用非線性阻抗測(cè)試系統(tǒng)對(duì)具有非線性特性的樣品進(jìn)行非線性電流測(cè)量是一個(gè)可行、可靠和準(zhǔn)確的方法。用電化學(xué)工作站測(cè)試了錳酸鍶鑭陰極在不同擾動(dòng)電壓下的阻抗譜,測(cè)試結(jié)果表明極

6、化電阻隨著擾動(dòng)電壓的增加而減小,此結(jié)果符合Tafel方程規(guī)律;用非線性阻抗測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了較高擾動(dòng)電壓下的以錳酸鍶鑭為陰極的高階電流數(shù)據(jù),測(cè)量結(jié)果表明,溫度為650℃時(shí)低頻時(shí)等效電路中的電容特性減小而非線性電阻特性增加導(dǎo)致了錳酸鍶鑭陰極高階電流值隨頻率減小而增大,錳酸鍶鑭陰極氣-固界面上的氧交換速率減小是導(dǎo)致非線性現(xiàn)象明顯的原因之一;給出了不同階次的非線性阻抗隨氧分壓的變化關(guān)系,并對(duì)現(xiàn)象給予陳述。
　　以上研究結(jié)果表明,基于鎖相放大