邵明標，董淳一

(1.阜陽幼兒師范高等專科學(xué)校 科學(xué)與健康系，安徽 阜陽 236015；2.阜陽師范大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 阜陽 236015)

隨著電池工業(yè)制備技術(shù)的發(fā)展，采用綠色的新型能源材料進行中溫燃料電池制備成為未來電池制備的一個主要方向，作為新型綠色發(fā)電技術(shù)，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、放電容量高和低污染、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，在電池生產(chǎn)和制備中具有廣闊的應(yīng)用前景，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池是一種全固態(tài)高效率發(fā)電裝置，通常稱之為第四代燃料電池[1]。在镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料摻入镥摻雜鈰酸鍶(Lu:SrCeO3)，構(gòu)建燃料電池，使得電池的操作溫度在500～800 ℃范圍內(nèi)，將進一步降低陰極、陽極電離作用的影響，從而提高電池的活性[2]。然而，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料制造的中溫燃料電池受到升溫速率變遷的影響，導(dǎo)致電池的穩(wěn)定性不好，為了提高中溫燃料電池活性和穩(wěn)定性，需要進行穩(wěn)定性控制設(shè)計，該文簡述了镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的基本原理、結(jié)構(gòu)組成和特點，提出基于電吸附去離子交互控制的镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池制備方法，分析分析頻率耦合特性下的電池輸出容量，在不同的化學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料在燃料電池優(yōu)化制備設(shè)計，最后進行實驗測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池概述

镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池屬于一種高效率和高容量的發(fā)電裝置，采用镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合進行中溫燃料電池制備具有能量轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點，能在不同環(huán)境下提高镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合電極的穩(wěn)定性，且電池?zé)o污染，接簡述镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的基本原理、結(jié)構(gòu)組成和特點[3]。

1.1 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料制備中溫燃料電池的基本原理

采用電吸附除鹽技術(shù)進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的陰極催化反應(yīng)，在掃描電子顯微鏡分析(SEM)下進行電池的燃料特性分析，在催化劑的作用下，將金屬氧化物質(zhì)引入到電極表面，得到加快發(fā)生還原反應(yīng)：2 O2(g)+4e-=2O2-(s)。而陽極在催化劑的作用下，加快發(fā)生氫氣 (H2)、甲烷(CH4)等燃料的氧化反應(yīng)，將镥摻雜鈰酸鍶(SrCeO3)引入到電池制備環(huán)境中，得到電池的制備反應(yīng)原理為：2H2(g)+2O2-(s)=2H2O(g)+4e-。將厚度為 1 mm 導(dǎo)電石墨板剪成方塊形，采用三電極系統(tǒng)將電極材料送入到多孔結(jié)構(gòu)的陰極表面，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料的氧負離子(O2-)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，隨后進入電解質(zhì)導(dǎo)體并擴散至陽極一側(cè)；此時飽和甘汞電極為參比電極，計算活性炭纖維的比電容，飽和甘汞電極與氧負離子(O2)化學(xué)反應(yīng)，形成電流。根據(jù)上述分析，得到镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料制備中溫燃料電池的化學(xué)實現(xiàn)原理，如圖1所示。

圖1 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料制備中溫燃料電池的化學(xué)實現(xiàn)原理

1.2 電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖1的化學(xué)反應(yīng)原理，將镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合溫燃料的電池電解質(zhì)中的氧負離子(O2-)從陰極一側(cè)傳導(dǎo)至陽極一側(cè)[4]，測定的循環(huán)伏安曲線，并分析燃料電池的穩(wěn)定性，得到在不同的分辨率下活性炭纖維SEM圖，如圖2所示。

圖2 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料的活性炭纖維SEM圖

根據(jù)圖2所示的镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料的活性炭纖維結(jié)構(gòu)分布，進行燃料電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析，采用串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)等方式進行燃料電池的電導(dǎo)率測試和電吸附模塊分析，以提高镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的輸出功率[5]。

2 中溫燃料電池制備及控制方法優(yōu)化

2.1 活性炭纖維電極耦合控制參量模型

構(gòu)建燃料電池的活性炭纖維電極耦合控制參量模型，采用負載 Al2O3后活性炭纖維作為燃料電池的復(fù)合材料基質(zhì)層，分析時滯環(huán)節(jié)e-tms對镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池控制均衡性的影響[6]，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池模糊控制的穩(wěn)態(tài)性傳遞函數(shù)為：

(1)

在特定溫度及恒定電流下進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料制備燃料電池的倍率放電控制，采用反饋調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)方法，采用充電數(shù)據(jù)代替放電數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，得到：

(2)

(3)

或

(4)

在此基礎(chǔ)上，將活性炭纖維作為載體，負載Al2O3作為催化劑，使Al2O3與活性炭纖維協(xié)同作用，獲得負載Al2O3的活性炭纖維，再將該材料作為中溫燃料電池的復(fù)合材料基質(zhì)層作為燃料電池交換膜基質(zhì)，并進行電池的初始溶液電導(dǎo)率測量，當(dāng)镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池基質(zhì)層權(quán)重為gk時，用F對镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池進行充放電的模糊加權(quán)處理，得到權(quán)系數(shù)為：

其中，α表示學(xué)習(xí)速率。采用模糊PID動態(tài)反饋調(diào)節(jié)方程進行控制穩(wěn)態(tài)控制，采用時滯控制方法進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池控制的自適應(yīng)尋優(yōu)，得到迭代公式：

由此得到镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的電吸附控制[7]，并進行電池的初始溶液電導(dǎo)率測量，依據(jù)各元素的結(jié)合能進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的耦合性控制設(shè)計。

2.2 電池的輸出控制優(yōu)化

依據(jù)各元素的結(jié)合能進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的耦合性控制設(shè)計，分析分析頻率耦合特性下的電池輸出容量，進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池控制的泛函加權(quán)[8-10]，在時滯穩(wěn)定點t處，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池控制的連續(xù)函數(shù)為：

(7)

令Δxk=βpk，其中β為镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池輸出電流間諧波分量，pk為等效直流分量，計算電池充滿電時所能充入的總?cè)萘?，根?jù)镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池的輸出容量進行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)控制[11-13]，電池充電到截止電壓的輸出穩(wěn)態(tài)特征量用函數(shù)描述為：

其中，e是誤差擾動特征量。根據(jù)上述分析，在镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池輸出增益穩(wěn)定條件下進行反饋調(diào)節(jié)，計算镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池控制的誤差穩(wěn)態(tài)解，并從每次充電情況來判斷實時全充時間，得到：

S=L{F(x)+g(xk)}

(9)

其中，初始化镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合燃料電池控制系數(shù)為L。在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合Lyapunov穩(wěn)定性原理得知，進行電池輸出的穩(wěn)定性控制，分析分析頻率耦合特性下的電池輸出容量[14-16]，在不同的化學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料在中溫燃料電池優(yōu)化制備設(shè)計。

3 實驗測試分析

為了驗證設(shè)計的镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的容量和放電控制性能，進行實驗分析。將初始溶液電導(dǎo)率設(shè)定為568 μS·cm-1，電極表面積為 974.59 m2·g-1，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料的濃度設(shè)置情況如表1所示。

表1 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料的濃度分布設(shè)置

根據(jù)上述參量設(shè)定，利用HTFD系列電池放電測試儀測試镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的實際充放電能力，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)合中溫燃料電池的實際充放電容量變化示意圖

分析圖3得知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的充放電容量變化情況較為穩(wěn)定，僅存在微小的下降趨勢。證明采用本文方法進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池設(shè)計的容量輸出控制性能較好，充電容量和放電容量的跟蹤性能較好。

為進一步驗證镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的有效性，測試其極化特性和電量輸出誤差。實驗過程如下：

1)連接電子負載，測量開路電壓。即將镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的正負極與電子負載的正負極相連，打開電子負載電源測量開路電壓；

2)等待反應(yīng)穩(wěn)定后，記錄開路電壓。由于在一開始，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)未達到穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致電池的開路電壓持續(xù)上升。因此等待5 min，待開路電壓變化情況趨于穩(wěn)定后，記錄此時的電壓為燃料電池的開路電壓；

3)設(shè)定放電電流，記錄電池電壓。即在電子負載電源上設(shè)定恒電流，待電壓穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，并不斷加大放電電流，記錄數(shù)據(jù)；

4)為保證實驗的可靠性，設(shè)置不同的開路電壓，分別為17 V、15 V、13 V，進行3次實驗。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池極化曲線

分析圖4可知，镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池極化曲線存在3個階段，即下降-平穩(wěn)-下降，說明在電流較小時，隨著電流的增加電池電壓迅速下降；到達階段2后，電壓下降變得緩慢。當(dāng)電流較大時，隨著電流的增加電池電壓再次迅速下降，這一變化情況與理論極化曲線相同，證明了镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料中溫燃料電池的有效性。測試電壓輸出的絕對誤差，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 燃料電池電壓輸出的誤差測試

分析圖5可知，隨著電池循環(huán)次數(shù)的不斷增加，電壓輸出的絕對誤差卻始終較小，只是在循環(huán)次數(shù)達到160次之后上升到0.5 V左右，最大的電壓輸出誤差也僅為0.11 V，證明了镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合中溫燃料電池的可靠性。

4 結(jié)語

镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料燃料電池是一種全固態(tài)高效率發(fā)電裝置，構(gòu)建中溫燃料電池，進一步降低陰極、陽極電離作用的影響，從而提高電池的活性，本文提出基于電吸附去離子交互控制的镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料燃料電池制備方法，構(gòu)建燃料電池的活性炭纖維電極耦合控制參量模型進行電池的初始溶液電導(dǎo)率測量，依據(jù)各元素的結(jié)合能進行镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料燃料電池的耦合性控制設(shè)計，分析分析頻率耦合特性下的電池輸出容量，在不同的化學(xué)環(huán)境中實現(xiàn)镥摻雜鈰基碳酸鹽復(fù)合材料在中溫燃料電池優(yōu)化制備設(shè)計。研究得知，設(shè)計的燃料電池輸出穩(wěn)定性較好，放電容量較大，電池健康狀態(tài)較好，輸出誤差較低。