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衔镒鰹槿剂希瑢⑵涓咝У剞D(zhuǎn)化為電能的裝置，并且運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（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)量輸運動量輸運能量輸運電荷輸運電化學(xué)反應(yīng)SOFC多物理場電荷輸運方程電化學(xué)反應(yīng)控制方程氣體輸運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，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)陰極時會發(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