1、基于材料结构演化的固体氧化物燃基于材料结构演化的固体氧化物燃料电池性能退化模拟分析料电池性能退化模拟分析导 师：林子敬 教授主讲人：朱江院 系：物理系能源问题非常严竣化石能源仍然是现阶段能源结构的主体。传统能源使用过程中造成污染如何高效清洁地使用能源成为一项重要课题研究背景研究背景固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFC）可以直接使用化石能源或生物质能源转化来的碳氢化合物做为燃料，将其高效地转化为电能的装置，并且运行中污染物排放量低，是一种理想的能源利用装置。研究背景研究背景SOFC的优点的优点（1）燃料灵活（2）结构灵活，易于组装（3）催化剂成本低（4）效率高（5）污染小面临的问题：
2、1.电池系统成本较高 2.电池寿命长度不够 研究背景研究背景限制SOFC长期性能的因素电池电池结构结构SOFC结构示意图结构示意图结构结构材料材料连接体SS430阳极Ni-YSZ电解质YSZ阴极LSM-YSZ电池模拟电池模拟diffusionconvectioniiiiNNNR vvv-diffusionconvectioniiitotaliiiNNNcDxcuvvvv质量输运质量输运动量输运动量输运能量输运能量输运电荷输运电荷输运电化学反应电化学反应SOFC多物理场多物理场frTPB0act22expexpactFFjjRTRTTPBTPB,effeffelelTPBTPB,effCatho
3、deAnodeeljjj vTPBTPB,effeffioioTPBTPB,effCathode0ElectrolyteAnodeiojjj v002222ln2oHHoHHioaelaconioelaactppppFRT5.0022ln2OOceliocconeliocactppFRT2-22-2-2H+OH O+2eAnode1O+2eOCathode2电荷输运方程电化学反应控制方程气体输运控制方程连接体连接体02/OXggERTOXOXkket连接体退化主要来自材料氧化导致的电阻增大不锈钢材料SS430氧化2234Cr3O2Cr O氧化层生长速度优化：添加涂层可以有效减缓氧化速度OXAS
4、R连接体连接体(a)Increase of ASR(b)degradation of cell performance caused by the growth of interconnect oxide scale (a)(b)阳极阳极 155501CtrerNiNi造成电池性能下降的材料退化过程主要是Ni的粗化阳极阳极Ni颗粒半径的增长会导致阳极电化学反应三相区面积的缩小和电子电导率的下降0.42.5io,io,/3.764/12elelioioTPB effTPBiorZrP2eff01/1tiiiiti/1.764/1/teleltteleleliorZrr阳极阳极Degradatio
5、n of cell performance caused by the coarsening of anode Ni particle优化：通过调整阳极Ni颗粒的初始半径与YSZ颗粒的初始半径之比可以极大地削弱这一退化阳极阳极当阳极电子电导率超过一定值时，电导率继续增加对于电池性能的影响微乎其微。电解质电解质电解质的性能退化来自于YSZ在高温下离子电导率的下降。电解质电解质(a)The decrease of ionic conductivity of YSZ with time,(b)degradation of cell performance caused by the phase tr
6、ansition of YSZ(a)(b)阴极阴极LSM与YSZ在烧结阴极时会发生化学反应生成绝缘相，导致阴极电导率下降(通常烧结温度在1200度以上）对于SOFC正常工作温度（600-800度），此化学反应不会发生，所以从长期性能来考虑，LSM-YSZ阴极十分稳定电池整体电池整体Performance degradation due to the structural changes of interconnect,anode,electrolyte and cathode综合考虑电池各组件的材料退化，在进行相应的优化处理后，可以保证电池的长期性能退化低于0.4%/1000h，远优于1%2%/1000h的商业化要求。
