NiO/YSZ阳极支撑型平板式SOFC的制备及性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新兴的发电技术,由于其具有绿色环保、燃料利用率高以及燃料适应范围广泛等优点,有希望取代传统的发电方式,目前已成为燃料电池技术的研究热点。
　　本文通过非水基流延的方法制备大尺寸SOFC阳极/电解质复合基体,采用两步法实现了复合陶瓷的烧结,得到了平整无缺陷的阳极/电解质复合陶瓷,并对其进行了性能表征。研究了 Ag-CuO和银导电胶作为 SOFC密封材料的可行性,并在此基础上研究了单电池密封方法,并对密封后的电池进行了性能测试,同时研究了燃料气种类和流量对电池性能的影响。
　　实验中采用非水基流延法制备NiO-YSZ/YSZ复合基体,优化了阳极、功能层和电解质的流延浆料配方。通过TG-DTA测试对复合基体烧结行为进行了分析,提出了“阶梯”烧结方法,并制定了烧结程序,预烧结温度为1300℃,终烧温度为1400℃,成功实现了复合基体的共烧结,获得厚度为1.5 mm左右,面积为100×100 mm的复合基体,制备模拟电池进行性能测试,其开路电压为1.05 V左右,最大功率密度为1100 mW·cm-2左右,在5 h的寿命测试实验中电池电压可以一直保持在0.7 V以上。
　　选择 Ag-CuO和银导电胶材料作为 SOFC的密封材料,研究了两种材料的密封特性。通过SEM测试发现连接体/密封材料和密封材料/电池片封接界面连接紧密,无裂缝及孔洞存在,其电池泄漏率均可满足模拟电池测试要求。研究了两种材料的热循环,热稳定和热匹配性能,发现两种材料热循环和热稳定性能均能满足电池工作需要,但热匹配性能都较差。通过实验发现 Ag-CuO材料热膨胀系数较难改变,而银导电胶材料可以通过掺杂 Al2O3颗粒来降低其热膨胀系数,最佳掺杂比例为15mass％,此时银导电胶材料热膨胀系数由原来的20×10-6·℃-1下降为15×10-6·℃-1。
　　对单体电池进行了组装和放电测试。在前期工作基础上提出了陶瓷纤维/银导电胶复合密封的方法,并将其应用于单电池密封中,其中陶瓷纤维表面需浸渍150 g/L的气相SiO2,银导电胶材料需采用梯度法涂敷四层,其Al2O3含量依次为15mass%、10mass%,5mass%和0。密封后的电池泄漏率为0.045 cm3·min-1·cm-1,经过10次热循环实验后其泄漏率为0.058 cm3·min-1·cm-1,5h内单电池开路电压保持在1.0 V以上,可以满足电池工作需要。
　　研究中通过对集流方法的改进,大幅降低了电池的内阻,改进后的单电池功率由原来的1.3 W增加为15.47 W。测试了不同气体流量下的单电池功率和工作寿命,发现最理想的氢气、氧气流量分别为2 L·min-1和1 L·min-1,此时电池功率为28.4 W,最大功率密度为579.6 mW·cm-2,并且在7h的测试时间内电压保持在0.7 V以上。将两个单电池串联制成电池堆,其功率达到50 W。比较了相同流量的甲烷与氢气做燃料气时的电池性能,发现由于积碳现象的存在,使用甲烷的电池在工作初期最大功率有所提升,但是经过一定工作时间后过多的积碳现象导致了阳极工作面积减小并且堵塞了气体通道,导致电池工作时间大大减小,因此对于NiO-YSZ阳极来说,氢气是比较理想的燃料气体。

目录

NiO/YSZ 阳极支撑型平板式SOFC 的制备及性能研究

STUDY ON THE PREPARATION ANDPERFORMANCE OF NiO/YSZ ANODESUPPORTEDPLANAR SOFC

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 固体氧化物燃料电池(SOFC)概述

1.3 平板SOFC 制备技术

1.4 层状复合陶瓷共烧结方法

1.5 平板式SOFC 密封概述

1.6 本课题的研究内容

第2 章 实验材料与实验方法

2.1 实验材料及仪器设备

2.2 实验方法

2.3 物理性能表征

2.4 电化学性能测试

第3 章 阳极/电解质复合陶瓷的制备及性能研究

3.1 引言

3.2 流延参数确定及过程优化

3.3 阳极/电解质共烧结及模拟电池的制备

3.4 本章小结

第4 章 SOFC 密封材料和密封方法的研究

4.1 引言

4.2 Ag-CuO 密封体系的研究

4.3 银导电胶密封体系研究

4.4 两种密封材料的热匹配性能研究

4.5 两种密封材料的比较

4.6 本章小结

第5 章 SOFC 放电系统的装配及性能研究

5.1 引言

5.2 SOFC 放电系统的装配方法研究

5.3 测试条件对单电池性能的影响

5.4 甲烷为燃料对电池性能的影响

5.5 SOFC 电堆测试结果

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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致 谢

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