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)的開發(fā)有望緩解人類對電力需求增加的壓力、擺脫或減輕國家對石油進(jìn)口的依賴,SOFC較少排放污染氣體和溫室氣體對環(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被世界各國競相研究和開發(fā)。在不斷探索新的SOFC材料過程中,材料的電化學(xué)性能測試必不可少。目前,線性阻抗譜測量是被廣泛應(yīng)用在電極和電解質(zhì)的電化學(xué)性能診斷和評估中的一種重要方法,通常在交流阻抗譜測試時(shí)需要施加小擾動電壓來抑制其非線性響應(yīng),根據(jù)

2、這種在小的擾動電壓下測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)過程。然而,實(shí)際的固體氧化物燃料電池電極是一個非線性的系統(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)過程,基于這個原因,本課題開展了固體氧化物燃料電池電極非線性阻抗測試系統(tǒng)的研究。
　　非線性阻抗譜測試系統(tǒng)的一個主要構(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試系統(tǒng)之前,首

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

4、以達(dá)到10-3Ω或者更低;由無源阻抗測試系統(tǒng)對在小電流情況下的阻容元件的阻抗譜測試結(jié)果與成品雙通道恒電位儀(電化學(xué)工作站)測試結(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源阻抗測試系統(tǒng)的測試結(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試所需的較大的電流、電壓條件,專門設(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試電路,以鎖相放大器為信號源和測量儀表

5、,用VB語言編寫了測試軟件,構(gòu)成了完整的非線性阻抗譜測試系統(tǒng)。利用此非線性阻抗測試系統(tǒng),首先測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,得到的高階電流信號的模擬曲線與根據(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,這說明在一定擾動電壓下用非線性阻抗測試系統(tǒng)對具有非線性特性的樣品進(jìn)行非線性電流測量是一個可行、可靠和準(zhǔn)確的方法。用電化學(xué)工作站測試了錳酸鍶鑭陰極在不同擾動電壓下的阻抗譜,測試結(jié)果表明極

6、化電阻隨著擾動電壓的增加而減小,此結(jié)果符合Tafel方程規(guī)律;用非線性阻抗測試系統(tǒng)測試了較高擾動電壓下的以錳酸鍶鑭為陰極的高階電流數(shù)據(jù),測量結(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,并對現(xiàn)象給予陳述。
　　以上研究結(jié)果表明,基于鎖相放大