工作条件对陶瓷质子导体器件性能的影响

For ceramic proton conductor devices, such as intermediate temperature solid oxide fuel cells and hydrogen permeation membranes, extraneous factors could cause impressive influences on their output performances. This will affect the performance evaluation and using effects of the devices directly. While there are few reports about the quantitative analysis. In this project, physical mechanisms of extraneous factors would be constructed, and sensitivity analysis is proposed to quantify the important extraneous factors. Principle component analysis is applied to simplify the parameters of the physical model. Then the relations between device performance and extraneous factors will be revealed. The detailed contents are: to build a physical mechanism model for the influence of the extraneous factors; to solve the multiple physical field equations by the finite element method; to quantitatively determine the impacts of the extraneous factors by sensitivity analysis, and to develop a applicable correction algorithm which concerns the extraneous factors by employing the principle component analysis with data reduction. The goal of the project is to provide solid theory evidences and data supports for the exact effect assessments of the efforts to performance improvements as well as performance predictions under varied operating conditions.

对于基于陶瓷质子导体的器件，如中温固体氧化物燃料电池和膜反应器等，外界因素会引起可观的性能波动，直接影响器件的性能评估和使用效果，而目前尚未发现定量分析的报道。本项目拟构建外因影响机制的物理模型，并提出将敏感性分析方法用于表征主要外因的影响程度；将主成分分析算法用于简化物理模型的参数；结合多物理场建模和数值分析，最终深入揭示外界因素与器件性能之间的内在关联。内容包括：建立外因影响机理的物理模型；采用有限元分析算法，求解模型中的多物理场耦合方程；通过敏感性分析，量化各外因的影响程度；通过主成分分析法的数据降维处理，发展实用完善的考虑外因变动所产生的影响的修正算法。进而为性能改进措施效果的准确评估，以及不同使用环境下器件性能的预测，提供坚实的理论依据和可信的数据支持。

本项目在多物理场建模、数值算法设计，以及实验测试等手段的基础上，研究了基于陶瓷质子导体的固体氧化物燃料电池这一经典器件，定量分析了外界因素对此类器件的影响。具体工作包括：开发了各类外因影响机制的物理模型，提出了综合性全电池模型；囊括了电池工作电压及电流、工作温度、气体流速、工作环境下的燃料气分压及电极水蒸气浓度等外因要素，以及电解质厚度、电池尺寸等主要的测试设定要素。设计了迭代算法，解决了模型参数高度耦合带来的数值计算困难；探索出一套实用的、修正了外因变动所产生的影响的仿真方法。提出减少模型经验参数的新方法；经检验，在较广的测试条件下，模型能与实验结果吻合。在此基础上，基于敏感性分析方法，系统、定量地研究了上述各类外界条件及设定，对电池性能的影响程度。结合实验和模型仿真，我们发现，温度和阳极水蒸气浓度的波动，会导致电极反应极化、电解质漏电流和电导率的大幅变化，进而对电池输出性能产生显著影响。电池测试时，上述高敏感度的外因应当精细调控，以避免在多组电池样品性能的横向比较中产生较大结果偏差或结论误判。此外，依据模型，我们指出，在电池实际工作条件下，由于电流较大，电解质漏电流的负面效应并不显著；因此一些文献提及的增加阻隔层方案，并不能有效提高电池输出性能。