物理化学学报 >> 2022, Vol. 38 >> Issue (8): 2011009.doi: 10.3866/PKU.WHXB202011009
崔同慧1, 李航越1, 吕泽伟1, 王怡戈1, 韩敏芳1,*(), 孙再洪2, 孙凯华2
收稿日期:
2020-11-03
录用日期:
2020-12-07
发布日期:
2020-12-15
通讯作者:
韩敏芳
E-mail:hanminfang@tsinghua.edu.cn
作者简介:
Minfang Han, Email: hanminfang@tsinghua.edu.cn; Tel.: +86-10-62790686基金资助:
Tonghui Cui1, Hangyue Li1, Zewei Lyu1, Yige Wang1, Minfang Han1,*(), Zaihong Sun2, Kaihua Sun2
Received:
2020-11-03
Accepted:
2020-12-07
Published:
2020-12-15
Contact:
Minfang Han
E-mail:hanminfang@tsinghua.edu.cn
Supported by:
摘要:
电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)作为一种原位/非原位的电化学表征技术,在固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)尤其是小尺寸电池的研究中得到了广泛应用,而工业大尺寸电池的EIS研究较少且大多基于小尺寸电池的研究结果。本文对工业尺寸(10 cm × 10 cm)阳极支撑平板式SOFC搭建了EIS测试系统,并改变电池运行温度、阳极/阴极气体组分,对该电池进行了系统的EIS测试,而后采用不基于先验假设的弛豫时间分布法(Distribution of Relaxation Times,DRT)对EIS数据进行解析。通过比较分析不同条件下的DRT结果,揭示了DRT中各特征峰与电池中具体电极过程的对应关系。与小尺寸电池相比,由于大尺寸电池的有效面积较大且入口流量较小,气体转化过程在大尺寸电池中不容忽视。本文通过解析EIS实现了对工业大尺寸SOFC单电池中各项电极过程的分辨,该方法及结果能够进一步应用于SOFC原位表征、在线监测以及衰减机理等相关研究。
MSC2000:
崔同慧, 李航越, 吕泽伟, 王怡戈, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华. 大尺寸固体氧化物燃料电池的电极过程解析方法[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2011009.
Tonghui Cui, Hangyue Li, Zewei Lyu, Yige Wang, Minfang Han, Zaihong Sun, Kaihua Sun. Identification of Electrode Process in Large-Size Solid Oxide Fuel Cell[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2022, 38(8): 2011009.
表1
EIS测试参数"
Parameter | Anode | Cathode |
Effect of Temperature | ||
T/℃ | 700, 750, 800 | |
φ(H2)/% | 100% | – |
φ(H2O)/% | 0 | – |
φ(O2)/% | – | 21% |
Total flow/(L∙min−1) | 2 | 6 |
Effect of Temperature | ||
T/℃ | 700, 750, 800 | |
φ(H2)/% | 90% | – |
φ(H2O)/% | 10% | – |
φ(O2)/% | – | 21% |
Total flow/(L∙min−1) | 2 | 6 |
Effect of anode H2 partial pressures | ||
T/℃ | 800 | |
φ(H2)/% | 40%–90% | – |
φ(H2O)/% | 10% | – |
φ(O2)/% | – | 21% |
Total flow/(L∙min−1) | 2 | 6 |
Effect of anode H2O partial pressures | ||
T/℃ | 800 | |
φ(H2)/% | 50% | – |
φ(H2O)/% | 3%–30% | – |
φ(O2)/% | – | 21% |
Total flow/(L∙min−1) | 2 | 6 |
Effect of cathode O2 partial pressures | ||
T/℃ | 800 | |
φ(H2)/% | 90% | – |
φ(H2O)/% | 10% | – |
φ(O2)/% | – | 10.5%–50% |
Total flow/(L∙min−1) | 2 | 2 |
表2
不同研究中阳极支撑SOFC的DRT特征峰归属"
Characteristic frequency/Hz | Physicochemical origin | ||
KIT (active area = 1 cm2) 8 | Shi (active area = 0.5 cm2) 12 | This work (active area = 100 cm2) | |
1 × 104–1 × 105 | Charge transfer reaction and ionic transport in the Ni/YSZ anode structure | Charge transfer at YSZ/GDC or LSCF/GDC interface | Oxygen ionic transport |
100–1 × 104 | H2 electrochemical reaction at Ni/YSZ/H2 boundary, O2 reduction at LSCF/O2 boundary | Charge transfer reaction within the anode | |
10–100 | Oxygen surface exchange kinetics of LSCF as well as the diffusivity of oxygen ions through the LSCF bulk, Gas diffusion within the anode substrate | H2 diffusion in anode, O2 diffusion in cathode | Oxygen surface exchange reaction within the cathode, Gas diffusion within the anode |
1–10 | Gas diffusion | Gas diffusion within the anode | |
0.1–1 | Gas-phase diffusion in the pores of the LSCF electrode | Gas conversion within the anode |
1 |
Hjalmarsson P. ; Sun X. ; Liu Y. L. ; Chen M. J. Power Sources 2014, 262, 316.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.133 |
2 |
Fang Q. ; Frey C. E. ; Menzler N. H. ; Blum L. J. Electrochem. Soc. 2018, 165 (2), F38.
doi: 10.1149/2.0541802jes |
3 |
Hauch A. ; Brodersen K. ; Chen M. ; Mogensen M. B. Solid State Ionics 2016, 293, 27.
doi: 10.1016/j.ssi.2016.06.003 |
4 |
Lyu Z. ; Wang Y. ; Zhang Y. ; Han M. Chem. Eng. J. 2020, 393, 124755.
doi: 10.1016/j.cej.2020.124755 |
5 |
Barfod R. ; Hagen A. ; Ramousse S. ; Hendriksen P. V. ; Mogensen M. Fuel Cells 2006, 6 (2), 141.
doi: 10.1002/fuce.200500113 |
6 |
Jensen S. R. H. J. ; Hauch A. ; Hendriksen P. V. ; Mogensen M. J. Electrochem. Soc. 2009, 156 (6), B757.
doi: 10.1149/1.3116247 |
7 |
Schichlein H. ; Müller A. C. ; Voigts M. ; Krügel A. ; Ivers-Tiffée E. J. Appl. Electrochem. 2002, 32 (8), 875.
doi: 10.1023/a:1020599525160 |
8 |
Leonide A. ; Sonn V. ; Weber A. ; Ivers-Tiffée E. J. Electrochem. Soc. 2008, 155 (1), B36.
doi: 10.1149/1.2801372 |
9 |
Endler C. ; Leonide A. ; Weber A. ; Tietz F. ; Ivers-Tiffée E. J. Electrochem. Soc. 2010, 157 (2), B292.
doi: 10.1149/1.3270047 |
10 |
Kromp A. ; Leonide A. ; Weber A. ; Ivers-Tiffée E. J. Electrochem. Soc. 2011, 158 (8), B980.
doi: 10.1149/1.3597177 |
11 |
Caliandro P. ; Nakajo A. ; Diethelm S. ; Van herle J. J. Power Sources 2019, 436, 226838.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.226838 |
12 | Shi W. Y. ; Jia C. ; Zhang Y. L. ; Lü Z. W. ; Han M. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35 (5), 509. |
施王影; 贾川; 张永亮; 吕泽伟; 韩敏芳. 物理化学学报, 2019, 35 (5), 509.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201806071 |
|
13 |
Vinke I. C. ; de Haart L. G. J. ; Eichel R. A. ECS Trans. 2019, 91 (1), 589.
doi: 10.1149/09101.0589ecs |
14 |
Fang Q. ; Blum L. ; Menzler N. H. J. Electrochem. Soc. 2015, 162 (8), F907.
doi: 10.1149/2.0941508jes |
15 |
Sun X. ; Hendriksen P. V. ; Mogensen M. B. ; Chen M. Fuel Cells 2019, 19 (6), 740.
doi: 10.1002/fuce.201900081 |
16 |
Jia C. ; Chen M. ; Han M. Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2017, 14 (5), 1006.
doi: 10.1111/ijac.12748 |
17 |
Sonn V. ; Leonide A. ; Ivers-Tiffée E. J. Electrochem. Soc. 2008, 155 (7), B675.
doi: 10.1149/1.2908860 |
18 |
Bessler W. G. ; Gewies S. J. Electrochem. Soc. 2007, 154 (6), B548.
doi: 10.1149/1.2720639 |
19 |
Fan H. ; Keane M. ; Singh P. ; Han M. J. Power Sources 2014, 268, 634.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.080 |
20 |
Shi W. ; Lyu Z. ; Han M. ECS Trans. 2019, 91 (1), 791.
doi: 10.1149/09101.0791ecst |
21 |
Bessler W. ; Warnatz J. ; Goodwin D. Solid State Ionics 2007, 177 (39-40), 3371.
doi: 10.1016/j.ssi.2006.10.020 |
22 |
Shri Prakash B. ; Senthil Kumar S. ; Aruna S. T. Renew. Sust. Energy Rev. 2014, 36, 149.
doi: 10.1016/j.rser.2014.04.043 |
23 |
Simrick N. J. ; Bieberle-Hütter A. ; Ryll T. M. ; Kilner J. A. ; Atkinson A. ; Rupp J. L. M. Solid State Ionics 2012, 206, 7.
doi: 10.1016/j.ssi.2011.10.029 |
24 |
Endler-Schuck C. ; Joos J. ; Niedrig C. ; Weber A. ; Ivers-Tiffée E. Solid State Ionics 2015, 269, 67.
doi: 10.1016/j.ssi.2014.11.018 |
25 |
Boukamp B. Solid State Ionics 2004, 169 (1-4), 65.
doi: 10.1016/j.ssi.2003.07.002 |
26 |
Schönleber M. ; Klotz D. ; Ivers-Tiffée E. Electrochim. Acta 2014, 131, 20.
doi: 10.1016/j.electacta.2014.01.034 |
27 |
Dittrich L. ; Nohl M. ; Jaekel E. E. ; Foit S. ; de Haart L. G. J. ; Eichel R. A. J. Electrochem. Soc. 2019, 166 (13), F971.
doi: 10.1149/2.0581913jes |
28 |
Tong X. ; Ovtar S. ; Brodersen K. ; Hendriksen P. V. ; Chen M. J. Power Sources 2020, 451, 227742.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.227742 |
29 | Wang J. ; Huang Q. A. ; Li W. H. ; Wamg J. ; Zhuang Q. C. ; Zhang J. J. J. Electrochem. 2020, 26, 607. |
王佳; 黄秋安; 李伟恒; 王娟; 庄全超; 张久俊. 电化学, 2020, 26, 607.
doi: 10.13208/j.electrochem.200641 |
|
30 |
Primdahl S. ; Mogensen M. J. Electrochem. Soc. 1998, 145 (7), 2431.
doi: 10.1149/1.1838654 |
31 |
Leonide A. ; Apel Y. ; Ivers-Tiffee E. ECS Trans. 2009, 19 (20), 81.
doi: 10.1149/1.3247567 |
32 |
Primdahl S. ; Mogensen M. J. Electrochem. Soc. 1999, 146 (8), 2827.
doi: 10.1149/1.1392015 |
33 |
Hong J. ; Bhardwaj A. ; Bae H. ; Kim I. H. ; Song S. J. J. Electrochem. Soc. 2020, 167 (11), 114504.
doi: 10.1149/1945-7111/aba00f |
34 |
Gewies S. ; Bessler W. G. J. Electrochem. Soc. 2008, 155 (9), B937.
doi: 10.1149/1.2943411 |
35 |
Sumi H. ; Shimada H. ; Yamaguchi Y. ; Yamaguchi T. ; Fujishiro Y. Electrochim. Acta 2020, 339, 135913.
doi: 10.1016/j.electacta.2020.135913 |
[1] | 施王影, 贾川, 张永亮, 吕泽伟, 韩敏芳. 固体氧化物燃料电池电化学阻抗谱差异化研究方法和分解[J]. 物理化学学报, 2019, 35(5): 509 -516 . |
[2] | 王晓强.,刘江.,谢永敏.,蔡位子.,张亚鹏.,周倩.,于方永.,刘美林.. 可用作便携式电源的高性能直接碳固体氧化物燃料电池组[J]. 物理化学学报, 2017, 33(8): 1614 -1620 . |
[3] | 谢永敏,王晓强,刘江,余长林. 管式电解质支撑型直接碳固体氧化物燃料电池的浸渍法制备及电性能[J]. 物理化学学报, 2017, 33(2): 386 -392 . |
[4] | 余亮,于方永,苑莉莉,蔡位子,刘江,杨成浩,刘美林. 银基陶瓷复合电极的电性能及其在固体氧化物燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 503 -509 . |
[5] | 程庆利, 张卫华, 陶彬. 用三电极体系研究铜在微液滴下的电化学腐蚀[J]. 物理化学学报, 2015, 31(7): 1345 -1350 . |
[6] | 付召明, 王明阳, 张岩星, 张娜, 杨宗献. 第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构[J]. 物理化学学报, 2014, 30(6): 1055 -1060 . |
[7] | 刘丹丹, 谢永敏, 刘江, 王金霞. NiO-YSZ-石墨水系浆料的研制及其在注浆成型制备固体氧化物燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 331 -337 . |
[8] | 孙现众, 黄博, 张熊, 张大成, 张海涛, 马衍伟. 双电层电容器电化学阻抗谱的实验研究[J]. 物理化学学报, 2014, 30(11): 2071 -2076 . |
[9] | 罗兵, 夏大海. 扫描电化学显微镜原位表征pH值对核电蒸汽发生器合金腐蚀行为的影响[J]. 物理化学学报, 2014, 30(1): 59 -66 . |
[10] | 胡智, 黄晓巍, 陈杨辉. EDTA-甘氨酸法制备SmBaCo2O5+δ阴极材料及其性能[J]. 物理化学学报, 2013, 29(12): 2585 -2591 . |
[11] | 上官鹏鹏, 童少平, 李海丽, 冷文华. 电位对α-Fe2O3和掺钛α-Fe2O3光氧化水电荷转移速率常数的影响[J]. 物理化学学报, 2013, 29(09): 1954 -1960 . |
[12] | 孟秀霞, 宫勋, 杨乃涛, 谭小耀, 马紫峰. 梯度Cu-CeO2-Ni-YSZ复合阳极直接甲烷SOFC的制备与性能[J]. 物理化学学报, 2013, 29(08): 1719 -1726 . |
[13] | 覃国恒, 黄晓巍, 胡智. LaAlO3基电解质与阳极材料的化学相容性及电化学性能[J]. 物理化学学报, 2013, 29(02): 311 -318 . |
[14] | 曹剑瑜, 汤佳丽, 宋玲政, 许娟, 王文昌, 陈智栋. EDTA对活性炭的功能化处理及其对炭载Pd催化剂电催化性能的影响[J]. 物理化学学报, 2013, 29(01): 144 -150 . |
[15] | 孙成, 李喜明, 许进, 闫茂成, 王福会, 王振尧. 尿素对土壤中碳钢微生物腐蚀的影响[J]. 物理化学学报, 2012, 28(11): 2659 -2668 . |
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