镥掺杂铈基碳酸盐复合材料在温燃料电池中的应用研究

邵明标，董淳一

(1.阜阳幼儿师范高等专科学校 科学与健康系，安徽 阜阳 236015；2.阜阳师范大学 化学与材料工程学院，安徽 阜阳 236015)

随着电池工业制备技术的发展，采用绿色的新型能源材料进行中温燃料电池制备成为未来电池制备的一个主要方向，作为新型绿色发电技术，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池具有能量转换效率高、放电容量高和低污染、运行稳定等优点，在电池生产和制备中具有广阔的应用前景，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池是一种全固态高效率发电装置，通常称之为第四代燃料电池[1]。在镥掺杂铈基碳酸盐复合材料掺入镥掺杂铈酸锶(Lu:SrCeO3)，构建燃料电池，使得电池的操作温度在500～800 ℃范围内，将进一步降低阴极、阳极电离作用的影响，从而提高电池的活性[2]。然而，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料制造的中温燃料电池受到升温速率变迁的影响，导致电池的稳定性不好，为了提高中温燃料电池活性和稳定性，需要进行稳定性控制设计，该文简述了镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的基本原理、结构组成和特点，提出基于电吸附去离子交互控制的镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池制备方法，分析分析频率耦合特性下的电池输出容量，在不同的化学环境中实现镥掺杂铈基碳酸盐复合材料在燃料电池优化制备设计，最后进行实验测试分析，得出有效性结论。

1 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池概述

镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池属于一种高效率和高容量的发电装置，采用镥掺杂铈基碳酸盐复合进行中温燃料电池制备具有能量转换效率高的优点，能在不同环境下提高镥掺杂铈基碳酸盐复合电极的稳定性，且电池无污染，接简述镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的基本原理、结构组成和特点[3]。

1.1 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料制备中温燃料电池的基本原理

采用电吸附除盐技术进行镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的阴极催化反应，在扫描电子显微镜分析(SEM)下进行电池的燃料特性分析，在催化剂的作用下，将金属氧化物质引入到电极表面，得到加快发生还原反应：2 O2(g)+4e-=2O2-(s)。而阳极在催化剂的作用下，加快发生氢气 (H2)、甲烷(CH4)等燃料的氧化反应，将镥掺杂铈酸锶(SrCeO3)引入到电池制备环境中，得到电池的制备反应原理为：2H2(g)+2O2-(s)=2H2O(g)+4e-。将厚度为 1 mm 导电石墨板剪成方块形，采用三电极系统将电极材料送入到多孔结构的阴极表面，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料的氧负离子(O2-)产生化学反应，随后进入电解质导体并扩散至阳极一侧；此时饱和甘汞电极为参比电极，计算活性炭纤维的比电容，饱和甘汞电极与氧负离子(O2)化学反应，形成电流。根据上述分析，得到镥掺杂铈基碳酸盐复合材料制备中温燃料电池的化学实现原理，如图1所示。

图1 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料制备中温燃料电池的化学实现原理

1.2 电池的化学结构分析

根据图1的化学反应原理，将镥掺杂铈基碳酸盐复合温燃料的电池电解质中的氧负离子(O2-)从阴极一侧传导至阳极一侧[4]，测定的循环伏安曲线，并分析燃料电池的稳定性，得到在不同的分辨率下活性炭纤维SEM图，如图2所示。

图2 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料的活性炭纤维SEM图

根据图2所示的镥掺杂铈基碳酸盐复合材料的活性炭纤维结构分布，进行燃料电池的化学结构分析，采用串联、并联、混联等方式进行燃料电池的电导率测试和电吸附模块分析，以提高镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的输出功率[5]。

2 中温燃料电池制备及控制方法优化

2.1 活性炭纤维电极耦合控制参量模型

构建燃料电池的活性炭纤维电极耦合控制参量模型，采用负载 Al2O3后活性炭纤维作为燃料电池的复合材料基质层，分析时滞环节e-tms对镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池控制均衡性的影响[6]，镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池模糊控制的稳态性传递函数为：

(1)

在特定温度及恒定电流下进行镥掺杂铈基碳酸盐复合材料制备燃料电池的倍率放电控制，采用反馈调节学习方法，采用充电数据代替放电数据进行稳态调节，得到：

(2)

(3)

或

(4)

在此基础上，将活性炭纤维作为载体，负载Al2O3作为催化剂，使Al2O3与活性炭纤维协同作用，获得负载Al2O3的活性炭纤维，再将该材料作为中温燃料电池的复合材料基质层作为燃料电池交换膜基质，并进行电池的初始溶液电导率测量，当镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池基质层权重为gk时，用F对镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池进行充放电的模糊加权处理，得到权系数为：

其中，α表示学习速率。采用模糊PID动态反馈调节方程进行控制稳态控制，采用时滞控制方法进行镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池控制的自适应寻优，得到迭代公式：

由此得到镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的电吸附控制[7]，并进行电池的初始溶液电导率测量，依据各元素的结合能进行镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的耦合性控制设计。

2.2 电池的输出控制优化

依据各元素的结合能进行镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的耦合性控制设计，分析分析频率耦合特性下的电池输出容量，进行镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池控制的泛函加权[8-10]，在时滞稳定点t处，镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池控制的连续函数为：

(7)

令Δxk=βpk，其中β为镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池输出电流间谐波分量，pk为等效直流分量，计算电池充满电时所能充入的总容量，根据镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池的输出容量进行稳态调节控制[11-13]，电池充电到截止电压的输出稳态特征量用函数描述为：

其中，e是误差扰动特征量。根据上述分析，在镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池输出增益稳定条件下进行反馈调节，计算镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池控制的误差稳态解，并从每次充电情况来判断实时全充时间，得到：

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

(9)

其中，初始化镥掺杂铈基碳酸盐复合燃料电池控制系数为L。在上述分析的基础上，结合Lyapunov稳定性原理得知，进行电池输出的稳定性控制，分析分析频率耦合特性下的电池输出容量[14-16]，在不同的化学环境中实现镥掺杂铈基碳酸盐复合材料在中温燃料电池优化制备设计。

3 实验测试分析

为了验证设计的镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的容量和放电控制性能，进行实验分析。将初始溶液电导率设定为568 μS·cm-1，电极表面积为 974.59 m2·g-1，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料的浓度设置情况如表1所示。

表1 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料的浓度分布设置

根据上述参量设定，利用HTFD系列电池放电测试仪测试镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的实际充放电能力，得到结果如图3所示。

图3 复合中温燃料电池的实际充放电容量变化示意图

分析图3得知，随着循环次数的增加，镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的充放电容量变化情况较为稳定，仅存在微小的下降趋势。证明采用本文方法进行镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池设计的容量输出控制性能较好，充电容量和放电容量的跟踪性能较好。

为进一步验证镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的有效性，测试其极化特性和电量输出误差。实验过程如下：

1)连接电子负载，测量开路电压。即将镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的正负极与电子负载的正负极相连，打开电子负载电源测量开路电压；

2)等待反应稳定后，记录开路电压。由于在一开始，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池内部的化学反应未达到稳定状态，导致电池的开路电压持续上升。因此等待5 min，待开路电压变化情况趋于稳定后，记录此时的电压为燃料电池的开路电压；

3)设定放电电流，记录电池电压。即在电子负载电源上设定恒电流，待电压稳定后记录数据，并不断加大放电电流，记录数据；

4)为保证实验的可靠性，设置不同的开路电压，分别为17 V、15 V、13 V，进行3次实验。实验结果如图4所示。

图4 镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池极化曲线

分析图4可知，镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池极化曲线存在3个阶段，即下降-平稳-下降，说明在电流较小时，随着电流的增加电池电压迅速下降；到达阶段2后，电压下降变得缓慢。当电流较大时，随着电流的增加电池电压再次迅速下降，这一变化情况与理论极化曲线相同，证明了镥掺杂铈基碳酸盐复合材料中温燃料电池的有效性。测试电压输出的绝对误差，得到结果如图5所示。

图5 燃料电池电压输出的误差测试

分析图5可知，随着电池循环次数的不断增加，电压输出的绝对误差却始终较小，只是在循环次数达到160次之后上升到0.5 V左右，最大的电压输出误差也仅为0.11 V，证明了镥掺杂铈基碳酸盐复合中温燃料电池的可靠性。

4 结语

镥掺杂铈基碳酸盐复合材料燃料电池是一种全固态高效率发电装置，构建中温燃料电池，进一步降低阴极、阳极电离作用的影响，从而提高电池的活性，本文提出基于电吸附去离子交互控制的镥掺杂铈基碳酸盐复合材料燃料电池制备方法，构建燃料电池的活性炭纤维电极耦合控制参量模型进行电池的初始溶液电导率测量，依据各元素的结合能进行镥掺杂铈基碳酸盐复合材料燃料电池的耦合性控制设计，分析分析频率耦合特性下的电池输出容量，在不同的化学环境中实现镥掺杂铈基碳酸盐复合材料在中温燃料电池优化制备设计。研究得知，设计的燃料电池输出稳定性较好，放电容量较大，电池健康状态较好，输出误差较低。