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Anticipating the lifespan: Predicting the durability of an anode-supported solid oxide fuel cell short stack over 50,000 h
阳极支撑固体氧化物燃料电池短堆超过50000小时的耐久性预测
研究背景
固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高转换效率、少量的污染排放和燃料灵活性的优点，被公认为极具前景的设备。但长期性能稳定性仍然是固体氧化物燃料电池技术成功商业化的关键问题，需要进一步提高以实现寿命目标。然而，到目前为止，研究很少将材料性能的基本变化与电化学性能退化联系起来。很少有混合方法与数值模拟相结合来预测固体氧化物燃料电池堆的剩余使用寿命。因此，开发简单的寿命预测工具和简单的数学模型来评估电池和电池堆中的退化机制至关重要。这些应考虑各种退化因素，建立每种效应与以电化学电阻或电压衰减为特征的性能下降之间的相关性。单一降解效应的结合将使我们更好地了解电池和电池堆的总降解情况。
研究方法
在本研究中，我们采用了一个综合模型来预测阳极支撑扁管（AS-FT）固体氧化物燃料电池短堆的寿命。该模型考虑了单个退化效应，包括阳极中镍颗粒粗化导致的三相边界（TPB）长度缩短、集电网上氧化皮的生长、阴极中阳离子的分离以及阴极和电解质之间的化学相互作用。在我们之前的研究中，采用了一种新的简化方法来开发上述单一退化效应对相同单一AS-FT SOFC的数学相关性。这些单独开发的退化模型成功地集成到一个综合模型中，该模型允许通过ASR的电压衰减和变化来预测SOFC和电池堆的寿命。
实验结果解析
图1. 3C AS-FT固体氧化物燃料电池短堆叠示意图
图2. 电压行为与测试时间的函数关系
图3. 短电池堆和每个组成电池的EIS测量光谱示意图
试验结论
本文设计并制造了3C AS-FT SOFC短堆叠的新设计，消除了对金属互连板的需求。随后，在800°C和0.3 Acm−2下对短电池组进行了1000小时的长期性能退化测试。短电池组的电压在早期测试时间内迅速下降，之后以缓慢的速度下降。EIS结果表明，在最初的200小时测试中，电池堆的欧姆电阻和极化电阻迅速增加。组成电池的行为与短电池堆一致。然而，在短堆叠的三个电池中，由于欧姆电阻和极化电阻升高，电池2显示出相对较低的初始电压和较高的劣化率。短电池堆中的电压降低与寿命预测模型无缝对齐，表明在最初的1000小时测试中，劣化率为9%/kh。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.05.012
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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