中溫固體氧化物燃料電池電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種可以直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。由于具有高效率低污染的優(yōu)點(diǎn),SOFC發(fā)電技術(shù)的實(shí)用化一直是研究熱點(diǎn)。大面積電池的高功率穩(wěn)定輸出,以及電池串聯(lián)成堆技術(shù)是實(shí)用化的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的SOFC電堆技術(shù)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂等缺點(diǎn),制約了其商業(yè)化應(yīng)用。陽極支撐型平板式SOFC外流腔電堆通過簡化連接體結(jié)構(gòu),使用獨(dú)立的氣流分配歧路等方法,可以達(dá)到降低電堆密封面總長度,提高電堆可靠性以及降低制造成本的目的

2、,是一種極具潛力的新型電堆設(shè)計(jì)。
　　本研究設(shè)計(jì)和優(yōu)化了單電池電堆和外流腔型電堆,開發(fā)了性能優(yōu)良的陰極集流器和連接體制造技術(shù),并對單電池電堆和外流腔型電堆的流場進(jìn)行了模擬,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氣流在不同結(jié)構(gòu)的kW級電堆氣流腔中的分布狀態(tài),優(yōu)選出了能將氣體均勻分配給各層電池的氣流腔流場設(shè)計(jì)。研究開發(fā)了電堆密封材料和相關(guān)電堆組件,優(yōu)化了外流腔電堆的組裝工藝和測試流程。上述研究表明:
　　通過精密流延法-絲網(wǎng)印刷-共燒結(jié)的單電池成型工

3、藝,制備了尺寸分別為100×100mm2,150×150mm2具有超薄致密的電解質(zhì)和多孔電極的單電池。通過優(yōu)化單電池電堆的組裝工藝和測試方法使大面積單電池的性能大幅提高,開路電壓(OCV)高于1.15V,750℃測試單電池電堆功率密度為729mW/cm2。流場模擬結(jié)果表明單電池電堆的氣體分布總體均勻,而電池的局部性能測試表明電池輸出的工作電壓隨燃料氣體流向呈梯度分布。
　　依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)對不同規(guī)模電堆的流場分布進(jìn)行了計(jì)算,為電堆中

4、金屬連接體組件的形狀設(shè)計(jì),電堆供氣方式和密封方式提供了指導(dǎo)。通過引入優(yōu)化后的密封和金屬連接體以及陰極接觸材料,組裝和測試了不同規(guī)模的外流腔SOFC電堆。以反應(yīng)區(qū)面積為81cm2的單電池組裝電堆,5-單電池電堆,10-單電池電堆和24-單電池電堆的輸出功率分別為192W,419W和高于1000W。分析結(jié)果表明,電堆中相鄰組件的接觸和密封是影響電堆性能的關(guān)鍵因素。
　　在單電池和電堆的壽命評估和熱循環(huán)測試中,SOFC單電池在長達(dá)數(shù)百小