基于弛豫时间分布的固体氧化物燃料电池电化学过程的原位研究

The electrochemical processes within a solid oxide fuel cell (SOFC) are extremely complex, for instance, including surface exchange, charge transfer, ion transport and gas diffusion, while playing crucial roles in determining cell performance and long-term stability. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) has been the most important method for in-situ analysis of the electrochemical processes within SOFCs, however, incapable of showing directly all the processes due to the limited frequency resolution. Thus, there exist controversies in understanding the electrochemical processes. To this end, we have proposed a method to reconstruct the distribution of relaxation time (DRT) from EIS, capable of showing clearly all the electrochemical processes. Here, we propose to study the SOFC processes in situ using the DRT method. The ultimate goal of this project is to clarify the number, the nature and the thermal aging kinetics of the electrochemical processes, and to develop an irreversible thermodynamics based transport theory for the coupling of electrochemical fields, that can resolve the rate-limiting process and hence the intelligent solutions for structure optimization, therefore improving the manufacturing of high-performance SOFC.

固体氧化物燃料电池（SOFC）的电化学过程极为复杂，包括表面交换、电荷转移、离子传输、气体扩散等过程，直接决定了电池性能和长期稳定性。电化学阻抗谱（EIS）是原位分析SOFC电化学过程的重要手段，然而，由于频率分辨率有限，不能直接展现出所有电化学过程。因此，对电化学过程的认识存在争议。为此，申请人提出了用EIS重构电化学过程弛豫时间分布（DRT）的方法，可以把各个电化学过程明确地展现在DRT上。本项目用DRT方法原位研究SOFC电化学过程。目的是明确电化学过程的个数和各个过程的物理本质及其时效动力学机制，并形成基于不可逆热力学的耦合电化学场传输理论；通过揭示SOFC限速电化学过程，探索出SOFC结构优化的智能化解决方案，支撑高性能SOFC制备。

针对固体氧化物燃料电池（SOFC）的电化学过程复杂难控，导致电池构效关系不明的问题，开展了“基于弛豫时间分布的固体氧化物燃料电池电化学过程的原位研究”，经过4年理论和应用研究，全面完成了项目计划研究内容，提出了一系列基于谱学的热扩渗物化输运过程解析理论，并形成了相应的原位表征技术。包括：弛豫时间分布（DRT），反应-扩散流线分布（DRDS），特征时间分布（DCT）；通过这些高精度原位表征技术，明确SOFC电化学过程的个数和各个过程的物理本质，阐明各个电化学过程在电池活化与长期服役过程中的动力学规律；建立了具有热力学一致性的输运过程模型，成功解析出电池内部阴阳极电化学过程及其阻抗，给出了构效关系机制；给出了电极结构纳米化过程的数学模型与结构优化策略及其验证，给出了电极结构纳米化过程，包括化学浸渍纳米化和原位脱溶纳米化过程的数学模型，指导实验研究，并验证了模型的有效性。最后揭示了SOFC限速电化学过程，探索出SOFC结构优化的智能化解决方案，支撑高性能SOFC制备。