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申请/专利权人：中国石油大学(华东)

摘要：本发明公开了一种SOFC冷热循环中电化学与力学性能的预测方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。本发明通过开展SOFC电堆的冷热循环试验，利用电化学工作站测量极化曲线和电化学阻抗谱，定量解析不同电极反应过程对电压衰减的贡献；测试不同冷热循环服役后的力学性能（抗弯强度、弹性模量和硬度），利用Ni颗粒变化定量地关联SOFC电堆的电化学性能与力学性能，揭示了SOFC电堆电化学性能与力学性能衰减的耦合关系，建立SOFC电堆电化学性能与力学性能衰减的理论模型，能够准确预测SOFC电堆不同冷热循环次数后电化学性能与力学性能的变化规律，以及SOFC电堆的冷热循环服役寿命，这对提升SOFC电堆冷热循环的抗热震性具有重要意义，推进SOFC的商业化应用。

主权项：1.一种SOFC电堆冷热循环中电化学与力学性能的预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：制备SOFC电堆的组成材料，完成SOFC电堆发电与测试系统的装配以及测试准备工作，并根据实际服役工况确定SOFC电堆冷热循环试验的操作参数；步骤S2：利用SOFC电堆发电与测试系统开展冷热循环试验，利用电子负载控制器和电化学工作站采集SOFC电堆在每次冷热循环运行时的极化曲线和电化学阻抗谱；步骤S3：利用弛豫时间分布方法和等效电路模型对SOFC电堆的电化学阻抗谱数据进行分析和拟合处理，计算冷热循环中SOFC各电极反应过程引起的电压损失以及对电压衰减的贡献值；步骤S4：测试不同冷热循环服役后SOFC电堆电池片的力学性能；步骤S5：利用扫描电子显微镜和X射线能谱仪分析冷热循环试验前后SOFC电堆各部分组成的微观结构变化规律，计算出SOFC电堆中各种元素的含量及颗粒的平均直径；步骤S6：揭示SOFC电堆电化学性能与力学性能衰减的耦合关系，建立SOFC电堆电化学性能与力学性能衰减的理论模型；根据SOFC的输出电压、单电池抗弯强度、Ni元素颗粒的平均等效圆直径弹性模量和硬度随冷热循环次数的变化规律，建立SOFC电堆电化学性能与力学性能衰减耦合的理论模型： 其中，y为SOFC的输出电压、单电池抗弯强度、Ni元素颗粒的平均等效圆直径弹性模量和硬度中任意一个性能的参数值；x为冷热循环次数，x≥1且为正整数；C为与y相对应的SOFC输出电压、单电池抗弯强度、Ni元素颗粒的平均等效圆直径弹性模量和硬度中任一性能的初始值，在第一次冷热循环后测试得出C的具体值；n为衰减系数；步骤S7：预测SOFC电堆不同冷热循环次数后的电化学性能与力学性能，以及SOFC电堆的冷热循环服役寿命；在步骤S3中，利用弛豫时间分布方法对冷热循环过程中的电化学阻抗谱数据进行处理，根据SOFC电堆不同电化学反应过程的特性对弛豫时间分布图上的波峰进行区分，定性地区分出不同电极反应过程的变化规律；基于弛豫时间分布方法获得的分布规律确定电极反应过程，并为等效电路模型元件提供合理的初始值；采用由欧姆阻抗Rohm、电感L和RQ单元组成的等效电路模型来拟合电化学阻抗谱数据，定量确定冷热循环中不同电极反应过程对电压衰减的贡献，并确定每个电极反应过程对电压衰减的贡献值及其排序；在弛豫时间分布方法中，SOFC电堆的总阻抗Zω表示为欧姆阻抗Rohm、极化阻抗Rpol的相加和；弛豫时间τ指的是电化学过程达到平衡状态所需的时间，其中极化阻抗表示为弛豫时间τ从0到∞秒的积分，具体如下式所示： 其中，j和ω分别为虚数单位和角频率；求解不同弛豫时间τ对应的γτ，即能够得到电化学阻抗谱数据对应的弛豫时间分布图，γτ的表达式： 其中，R为电阻，cosh为双曲余弦函数，n为电子转移数，τ0表示初始时刻的弛豫时间；特征频率f的表达式： 在等效电路模型中，等效电路模型由串联的欧姆阻抗Rohm、电感L和RQ单元组成，RQ单元由电阻R和常相位元件CPE并联组成，每个RQ单元代表一个特定的时间尺度上的电极过程；等效电路模型总阻抗的计算公式： 其中，Lself为等效电路的自感量，Lwire为假想互感量，Lwire用于减少电感和互感对分析结果的干扰。

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