X射线成像技术原位研究运行状态下固体氧化物燃料电池性能衰退机理

The microstructures of electrodes are critical for solid oxide fuel cells (SOFCs), which are environmentally friendly devices that converse chemical energy of various fuels to electrical energy with high efficiency and low greenhouse gas emission. However, details of the microstructural real-time evolutions of the electrode under long term operation are still not clear to the SOFC society due to the lack of in situ microstructure investigation. This project will develop in situ imaging technique based on hard X-ray nano computed tomography (nano-CT) at the Beijing Synchrotron Radiation Facility to observe the gradual microstructure change of the electrodes during operation and perform detailed microstructural analysis to study the relationship between microstructural evolutions (porosity, tortuosity, particle size and connectivity, TPB length et al ) and operational conditions(operational temperature, operational time, atmosphere, polarized electromotive force ). Developing multi-field coupling numerical model to model and analyze the relationship between microstructural evolutions and SOFC performance based on reconstruction data. Using microstructural evolution processes, the results of numerical simulation and electrical performance change to understand the aging mechanism of SOFC and build theoretical model of SOFC performance degradation, which can be used to build a theoretical basis for precisely predicting the operational life of SOFC. Such prediction is critical in improving the operational life of SOFCs.

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环境友好的能源转换装置，其性能与其电极结构密切相关。但是，受电池原位研究条件不足的制约，电极微结构实时演化规律仍不清楚。本项目拟利用北京高能所同步辐射实验室的硬X射线成像系统，发展原位成像技术，实时观察电极结构的演变信息，研究运行状态下电池电极微结构演变（孔隙率、曲折因子、颗粒尺寸、联通性和三相界面长度等）和运行条件（工作温度、运行时间、气氛、极化电动势等）的关系，发展多场耦合数值模型，基于重构数据模拟分析电极微结构演变与电池性能的关系，从微结构演变规律、数值模拟结果和电性能变化三方面深入阐述运行状态下电池老化机理，建立SOFC性能衰退的理论模型，为SOFC运行寿命的准确预测建立理论基础。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环境友好的能源转换装置，其性能与其电极结构密切相关。但是，受电池原位研究条件不足的制约，电极微结构演化规律仍不清楚。本项目拟发展原位成像技术观察电极结构的演变信息，研究运行状态下电池电极微结构演变和运行条件的关系，发展多场耦合数值模型，基于重构数据模拟分析电极微结构演变与电池性能的关系。依托本项目支撑发展了数据重构及分析方法，为课题的大数据定量分析提供了一个有力的工具；将X射线显微和谱学成像技术结合起来发展了X射线谱学显微成像方法，从而实现样品三维结构、元素分布及化学价态等多种信息的获取，这为电池的结构性能表征提供了一个有力的工具；研制了原位成像装置，利用微纳加工技术制备具有X射线高透过性的氮化硅窗口的上下芯片，已经得到初步的测试数据结果；利用X射线纳米CT成像技术获得SOFC阳极样品在运行2h 和20h 后的三维结构，并在原有研究基础上，利用LBM方法模拟研究增加离子传输对阳极电化学反应的影响，获得阳极内氢气、水的浓度分布和氧离子电流密度分布，基于真实的实验数据建立相关模型研究了样品结构信息和性能的关系，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。