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固体氧化物燃料电池(SOFC)是解决能源危机的重要手段之一,因其独特的无污染、高效率特点成为新能源技术的研究热点。SOFC的高温运行环境使得工业应用时耗费高且易出现材料相容性的问题,降低温度可以提升SOFC的稳定性但会降低其电化学性能,因此研究中低温条件下SOFC的电化学性能是很有必要的,可以成为电池制备、相关技术更新的有力支持。目前SOFC电化学性能的研究主要集中在改善电极材料、优化操作条件、识别半电池反应机理等方面。对于单电池电极反应机理的理论推导,以及应用理论分析结果判断电极速率控制步骤(RDS)、解释电池性能曲线特征的文献报导相对较少。因此论文采用理论与实验相结合的方法,研究了不同操作条件下SOFC的RDS和电化学性能。主要研究内容如下:(1)应用缺陷化学理论对交换电流密度与气体分压的关系进行了详细计算和讨论,总结了不同反应物作为边界条件下的RDS,该结论可用于确定SOFC运行时的RDS和解释不同气体分压条件下的性能曲线规律。(2)建立纽扣型SOFC实验测试系统,基于交流阻抗法(EIS),研究了在0.01 Hz~100kHz范围内,不同氢分压、氧分压和温度下的阻抗谱。极化阻抗随气体分压的增加和温度的升高而减小。利用不同气体分压与极化阻抗的关系,确定了实验条件下SOFC的RDS,高频区RDS主要为电荷传输过程,中频区RDS主要为吸附解离过程,低频区RDS则多为气体扩散过程。(3)研究了SOFC在不同气体分压和不同温度下的电化学性能。电池性能随气体分压的增加而增强,随温度的升高而增强。当气体分压较低时,电池性能岁气体分压增大增强幅度较大,而气体分压较大时则相反。动力学理论对此做出了合理解释,低分压区决定电极反应速率的是空穴和水解产物,且交换电流密度随气体分压增大而增大;高分压区吸附气体决定反应速率,且交换电流密度随气体分压增大而减小,因此电池性能增强幅度在不同气体分压区表现不同。(4)利用COMSOL 5.3构建了二维数值模型模拟SOFC电化学性能,模拟结果与实验结果高度一致,最大误差为3.5%。气体摩尔分数在电池内部的分布情况说明反应区气体摩尔分数梯度最大,沿电池半径方向逐渐降低,温度分布情况说明温度沿电池半径方向逐渐升高,随输出电压的增加,电池温度的最大值呈下降趋势。