空间电荷层效应对固体氧化物燃料电池三相界面附近氧空位传输的影响

作者：徐晗; 张璐

来源：Acta Physica Sinica, 2021, 70(12): 409-419.

• 固体氧化物燃料电池
• 空间电荷层
• 氧空位传输
• 三相界面

纳米复合电极是提高中低温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)性能的新型前沿技术,其内部三相界面(three phase boundary, TPB)处空间电荷层(space charge layer, SCL)效应凸显,显著影响氧空位传输能力,是其性能优异的重要原因之一.现有研究广泛采用Poisson-Boltzmann方程模拟SCL效应,受限于载流子电化学平衡假设(导体净电流为零),难以准确地揭示SOFC运行条件下(净电流不为零) SCL效应的影响规律.针对SOFC模式电极,本文耦合Poisson方程与载流子质量守恒方程,建立了运行条件下考虑SCL效应的氧空位传输数理模型及数值模拟方法.模拟研究表明, SCL效应导致TPB附近产生明显的氧空位浓度梯度,从而产生显著的扩散电流,其数值甚至高于电势梯度驱动的迁移电流.采用SCL电阻表征SCL效应对氧空位传输过程的影响,发现随着无量纲Debye长度与无量纲电势的增大, SCL电阻呈现减小的变化趋势;增大无量纲平均电流密度, SCL电阻逐渐增大.本文研究工作可为通过科学设计纳米复合电极以提高中低温SOFC性能提供理论依据.

• 单位
  西安交通大学