固体氧化物燃料电池电极的非线性阻抗谱研究

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1、国内图书分类号：TM911.4学校代码：10213国际图书分类号：541.136密级：公开理学硕士学位论文固体氧化物燃料电池电极的非线性阻抗谱研究硕士研究生：李一倩导师：吕喆教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：理学院答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM911.4U.D.C.:541.136DissertationfortheMasterDegreeinScienceINVESTIGATIONONNONLINEARELECTROCHEMICALIMPED

2、ANCESPECTROSCOPYFORSOLIDOXIDEFUELCELLELECTRODEMATERIALSCandidate：YiqianLiSupervisor：Prof.ZheLüAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpecialty：CondensedMatterPhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInst

3、ituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要固体氧化物燃料电池（SOFC）的开发有望缓解人类对电力需求增加的压力、摆脱或减轻国家对石油进口的依赖，SOFC较少排放污染气体和温室气体对环境影响小，它还具有有较高功率和高能源转换效率。因此，SOFC被世界各国竞相研究和开发。在不断探索新的SOFC材料过程中，材料的电化学性能测试必不可少。目前，线性阻抗谱测量是被广泛应用在电极和电解质的电化学性能诊断和评估中的一种重要方法，通常在交流阻抗谱测试时需要施加小扰动电压来抑制其非线性响应，根据这种在小的扰

4、动电压下测试到的线性交流阻抗谱，可以分析电极和电池内部的电化学过程。然而，实际的固体氧化物燃料电池电极是一个非线性的系统，所以在线性条件下进行的电化学分析结果只是一个近似，而不能完全反映固体氧化物燃料电池内部真正的电化学过程，基于这个原因，本课题开展了固体氧化物燃料电池电极非线性阻抗测试系统的研究。非线性阻抗谱测试系统的一个主要构成部分为多功能数字锁相放大器。在设计固体氧化物燃料电池电极非线性阻抗测试系统之前，首先对锁相放大器的性能进行测试和初步开发，建立了一个包含电流取样电路在内的由VB测试软件控制锁相放大器的无

5、源阻抗测试系统。用这个系统实验测试了导线电阻及其随时间的变化曲线，并进行了高温电阻测量和小电流下的阻容元件的阻抗谱测量。用此系统进行导线电阻测试的结果显示，在30min之内导线的电阻只增加了0.3%，所以用小电流对那些对温度很敏感的材料进行电阻率测试是很有必要的；由无源阻抗测试系统对高温电阻的测量结果显示，无源阻抗测试系统的-3电阻量程可以达到10或者更低；由无源阻抗测试系统对在小电流情况下的阻容元件的阻抗谱测试结果与成品双通道恒电位仪（电化学工作站）测试结果基本相同，由此证明本课题研发的这种基于锁相放大器的无源

6、阻抗测试系统的测试结果是可靠的。在此基础上，为了提供燃料电池电极和电池测试所需的较大的电流、电压条件，专门设计并制作了包含直流电源在内、具有一定交流频带宽度并具有恒电压/恒电流控制功率输出功能的非线性阻抗测试电路，以锁相放大器为信号源和测量仪表，用VB语言编写了测试软件，构成了完整的非线性阻抗谱测试系统。利用此非线性阻抗测试系统，首先测试了具有非线性特性的反接并联二极管电路网络和二极管-电容电路网络的非线性电流信号，得到的高阶电流信号的模拟曲线与根据二极管方程进行理论计算得出的曲线几乎完全重合，这说-I-哈尔滨工业

7、大学理学硕士学位论文明在一定扰动电压下用非线性阻抗测试系统对具有非线性特性的样品进行非线性电流测量是一个可行、可靠和准确的方法。用电化学工作站测试了锰酸锶镧阴极在不同扰动电压下的阻抗谱，测试结果表明极化电阻随着扰动电压的增加而减小，此结果符合Tafel方程规律；用非线性阻抗测试系统测试了较高扰动电压下的以锰酸锶镧为阴极的高阶电流数据，测量结果表明，温度为650ºC时低频时等效电路中的电容特性减小而非线性电阻特性增加导致了锰酸锶镧阴极高阶电流值随频率减小而增大，锰酸锶镧阴极气-固界面上的氧交换速率减小是导致非线性现象

8、明显的原因之一；给出了不同阶次的非线性阻抗随氧分压的变化关系，并对现象给予陈述。以上研究结果表明，基于锁相放大器构建的无源阻抗测试系统和非线性阻抗谱测试系统是可靠的测试系统，非线性阻抗测试系统对于测试固体氧化物燃料电池电极的非线性现象是一个具有发展前途的测试手段。关键词：固体氧化物燃料电池(SOFC)；锁相放大器；非线性阻抗谱-II-哈尔滨工业大学理学硕士学