基于X射线成像技术的固体氧化物燃料电池电极微结构演变与性能衰退关联研究

Solid oxide fuel cells (SOFCs) have received considerable attention for their high energy conversion efficiency and low impact to environment as a mean of generating electricity. However, during a long time operation, the performance of SOFCs may have a sharp drop and the lifetimes has decreased. Moreover, the degradation mechanism of performance is not clear. The performance of SOFCs electrodes is closely related its pore structure and stability, thus obtaining the three-dimensional (3D) microstructural parameters, such as porosity, three phase boundary length, pore diameter and pore connectivity, is the base for optimizing the micro/nano porous electrode and understanding the degradation mechanism. In this project, X-ray imaging technique will be used to reconstruct the 3D microstructure of SOFC electrode for calculating the key parameters and observe the evolution of microstructural parameters nondestructively, which can provide experiment data to explore the degradation mechanism of electrodes after different usage stages under different operating conditions. Furthermore, based on the obtained parameters numerical model is developed to investigate impact of the microstructure evolutions on gas diffusion, the ion and electron transport resistance and electrode property. By combining experimental data with numerical modeling results, it is possible to expound the degradation mechanism of SOFC electrodes at the micro level to provide the guidance for optimizing the microstructure of SOFC electrode and SOFC operating conditions, which is of important meaning to improve SOFC performance.

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、环境友好的将化学能转化为电能的装置受到了人们广泛的关注。然而SOFC经过长期运行后，其性能急剧退化，寿命大大的降低，而且性能退化机理不够明确。SOFC的性能与电极微结构密切相关，因此获得电池电极的三维微结构及微结构参数（如孔隙率、三相界面长度、孔隙尺寸及联通性等）是优化电极材料结构的关键和了解电极退化机理的基础。本项目拟采用高分辨X射线成像技术无损重构SOFC电极三维结构和定量分析其主要结构参数，观测这些参数在不同运行条件下运行不同阶段后的演变，为探索电极性能的退化机理提供实验数据；基于无损获得的电极微结构数据建立数值模型来探索电池运行后电极微结构变化对气体扩散、离子电子传输阻抗和电池性能的影响，利用实验数据与数值模拟结果相结合的方法在微观层次上阐述电极的老化机理，为优化电极微结构及电池运行条件提供直接指导，对提高电池性能有重要意义。

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效、环境友好的将化学能转化为电能的装置受到了人们广泛的关注。然而SOFC经过长期运行后，其性能急剧退化，寿命大大的降低，而且性能退化机理不够明确。SOFC的性能与电极微结构密切相关，因此获得电池电极的三维微结构及微结构参数（如孔隙率、三相界面长度、孔隙尺寸及联通性等）是优化电极材料结构的关键和了解电极退化机理的基础。本项目利用X射线成像技术研究不同运行条件和不同使用阶段的电极材料的界面形貌、微结构及其长期稳定性，并发展电化学反应模型来模拟电极微结构对气体扩散及电化学反应的影响。基于本项目我们 针对不完整投影数据发展了更先进的X射线数据重构程序，消除了不完整投影数据带来的影响，提高了重构数据的质量。利用纳米CT成像技术 研究了固体氧化物燃料电池电极原料对电极结构及电池性能的影响——不同来源的电极原料含有不同的杂质，通过成像方法对含有不同杂质的阳极进行了三维数据分析，得到了杂质的种类和含量对电极结构的影响，进而和电池性能联系起来，为优化电池原材料及大规模使用工业原料来降低电池成本提供了技术支持； 基于三维重构数据，我们得到了有效TPB（反应位点）的空间分布，然后利用发展起来的气体传输模型模拟了反应气体（H2）、扩散过程后发生的电化学反应及生成气体（ H2O ）的扩散，得到的结果更能真实反映电池运行过程中气体扩散反应的详细过程，为优化电池性能提供理论模型及必要的数据。