SOFC单电池设计与等离子喷涂制造若干技术的研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料气体的化学能直接转换为电能的发电装置。由于其能量转换率高、比能量高、效率高、无污染、原料可以连续供给、全固态结构等优点,已经成为21世纪新能源领域的研究热点。然而,由于SOFC制造成本高、周期长、能量低和使役寿命短等问题,严重阻碍了SOFC产业化进程。
　　在几届科研人员的不懈努力下,本实验室已实现了平板和瓦楞式SOFC三合一电极PEN制造以及连续梯度功能材料PEN部件的制造,本论文在此基础上开展了SOFC单电池结构设计、封接与连接板保护涂层设计、核心电极的混相喷涂制备与分析等研究工作。主要研究内容及结论包括:
　　针对SOFC能量较低的问题,分别设计了平板和瓦楞式SOFC单电池结构,以期通过增加电化学有效活性面来提高SOFC的输出能量。为避免电池堆中电池单元之间的内阻增加,利用良导体-SUS430铁素体不锈钢作为连接板材料,并用数控加工技术制造了平板式SOFC单电池的连接板。为了防止合金连接板高温氧化和接触界面间的元素扩散,提高SOFC运行寿命,以Ni/YSZ和LSCF作为保护涂层材料,采用等离子喷涂工艺制备了连接板保护涂层。
　　密封材料是保证SOFC稳定运行的关键部件之一。本论文选取微晶玻璃TF-5、TF-6以及密封胶等作为密封材料,通过封接实验分析了更有利于SOFC稳定运行的封接材料的选取和封接途径。
　　本论文集成大气与液相等离子喷涂、机器人数字化成形技术的不同优势,采用混相等离子喷涂技术制备SOFC的关键核心部件PEN。研究结果拓宽了PEN核心部件的材料选择范围,而且实现了多孔电极与致密电解质层的混相一体化制备。
　　SOFC材料的物性参数以及喷涂层的微观组织结构是影响其综合性能的重要因素。为此,本论文以YSZ、Ni/YSZ和 LSCF分别作为电解质、阳极和阴极材料,混相制备了平板式三合一电极PEN,利用FSEM结合XPS、ESEM和XRD等手段,对材料喷涂前后的物相和各电极层微观组织进行了表征与分析。

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1绪 论

1.1 课题来源、目的和意义

1.2 相关领域的研究

1.3 固体氧化物燃料电池的国内外研究现状

1.4 本文的研究内容

2平板和瓦楞式SOFC单电池结构设计

2.1 前言

2.2 平板和瓦楞式SOFC单电池连接板设计

2.3 平板和瓦楞式SOFC单电池的结构设计

2.4 平板和瓦楞式SOFC电池堆的结构设计

2.5 本章小结

3 SOFC材料设计及性能研究

3.1 引言

3.2 等离子喷涂对SOFC关键材料物相的影响

3.3 封接材料的测试

3.4 本章小结

4混相制备平板式SOFC核心部件PEN

4.1 引言

4.2 混相制备SOFC三合一电极PEN

4.3 试验结果与讨论

4.4 本章小结

5 SOFC合金连接板保护涂层的制备

5.1 引言

5.2 等离子喷涂制备SOFC连接板保护涂层

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献