「操作评价」：使用与评估14.4FC技能的实用性

时间：2023-06-30 理论教育 版权反馈

【摘要】：虽然能量密度尚没有达到目标，但是证实了HMFC概念工作无任何严重问题。图14.9 试验电池A的AC阻抗光谱图14.10 阴极极化与PO2的相关性虽然在我们的FC中使用的阴极材料在SOFC中是普遍的，但是阴极极化远小于相关文献报道的使用块体电解质的SOFC［14］。表14.2 不同条件下试验电池B的OCV电池B的V-I性质如图14.11所示。研究表明HMFC有一个相对宽的操作温度窗口，不管系统设计还是燃料选择要求，进一步降低操作温度是可能的。

单个电池A的V-I性质如图14.8a所示。虽然能量密度尚没有达到目标，但是证实了HMFC概念工作无任何严重问题。通过AC阻抗法将电池电阻划分为IR电阻和极化电阻。电池电阻的构成如图14.8b所示。采用AC阻抗法对极化电阻进一步分析，因为引入一个参比电极到薄膜电解质FC中是困难的^［12］，针对阳极和阴极的不同测定AC阻抗光谱来确定极化(见图14.9)。在所有条件下，发现两个极化半圆，一个半圆在约3kHz(Ra)处有一个峰，另一个半圆在约30kHz(Rb)处有一个峰，这两个半圆都受阴极气体的影响，均不受阳极气体的影响。因此，Ra和Rb都对应于阴极极化，相比于阴极极化，阳极极化非常小。如所述的那样，Pd有非常高的氢渗能力，作为FC的阳极，Pd有高活性是合理的。Ra和Rb相关的的分析见图14.10所示。显示了1/4斜率，显示了1/2斜率。下面是提出的LSM基电极的阴极反应机理：

图14.8 500℃下试验电池A的I-V特性［图14.8a，阳极气体是潮湿的H₂，阴极气体是潮湿的空气(均在40℃下湿化)］和试验电池A的电池电阻构成(图14.8b)

步骤1

步骤2

步骤3

步骤4

步骤2或步骤3很可能是决速(rate-determining)步骤^［13］。对HMFC而言，根据P_O₂相关性分析，极化Ra对应于步骤3，极化Rb对应于步骤2。

图14.9 试验电池A的AC阻抗光谱

图14.10 阴极极化与P_O₂的相关性(www.daowen.com)

虽然在我们的FC中使用的阴极材料在SOFC中是普遍的，但是阴极极化远小于相关文献报道的使用块体电解质的SOFC^［14］。Hibino等人也报道了使用钙钛矿质子导体作为块体电解质的FC的阳极和阴极的极化远大于我们的结果^［15］。这些事实表明电解质厚度可能影响极化。

下面的步骤测试电池B的性能。为了得到更好的性能，电池B比电池A具有更薄的电解质、氢薄膜和更有活性的阴极。在不同温度和氢浓度下，测定了单一电池的开路电压(OCV)，OCV测试结果见表14.2。测定的OCV除以理论电压可计算质子迁移数，测试的OCV接近于理论电压，比典型的PEFC高得多。OCV测定值与理论值间的差别可能是氢通过电解质缝隙渗漏的结果，因为测定的迁移数几乎与操作条件无关。HMFC的高OCV在PEFC上是个重要的优点，尤其在低电流密度区。

表14.2 不同条件下试验电池B的OCV

电池B的V-I性质如图14.11所示。能量密度在400℃和600℃操作温度下分别是0.9W/cm²和1.4W/cm²。HMFC性能与温度的相关性小于SOFC^［16］，这可由质子传导性比氧离子传导性有较低的温度依赖性的事实解释。研究表明HMFC有一个相对宽的操作温度窗口，不管系统设计还是燃料选择要求，进一步降低操作温度是可能的。电池B的电池电阻构成如图14.12所示。在图14.13中，根据测定的IR电阻计算薄膜电解质的电导率，与参考文献［17］中报道的块体的电导率对比。即使HMFC结构性能降低总的电解质电阻，薄膜电解质的电导率比块体电解质的低约一个数量级，温度相关性比块体电解质的温和。这些结果表明测定的IR电阻可能包括一个界面电阻。