微管式固體氧化物燃料電池的制備及其性能研究.pdf

1、微管式固體氧化物燃料電池(MT-SOFC)由于直徑可以小到1毫米或百微米級(jí),顯現(xiàn)出多種優(yōu)勢,如機(jī)械性能增強(qiáng),傳質(zhì)傳熱表面增大,體積功率密度提高,升降溫速率加快等,在便攜電源、交通運(yùn)輸動(dòng)力電源和不間斷電源(UPS)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文利用相轉(zhuǎn)化-紡絲技術(shù)結(jié)合燒結(jié)工藝,制備了具有獨(dú)特孔結(jié)構(gòu)的中空纖維陶瓷微管,以此制備出微管式固體氧化物燃料電池,并對其性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 首先,以Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)和Sm

2、2O3摻雜的CeO2(SDC)為電解質(zhì)材料,通過相轉(zhuǎn)化法紡絲并燒結(jié)到1200～1600℃后,分別制備出YSZ和SDC中空纖維陶瓷微管,并以此制備了電解質(zhì)支撐型MT-SOFC。研究發(fā)現(xiàn),以納米YSZ粉體為原料制備的電解質(zhì)中空纖維陶瓷微管經(jīng)過1600℃燒結(jié)后可以致密,抗彎強(qiáng)度最大355MPa。以Ni/YSZ為陽極,La0.8Sr0.MnO3-x(LSM)為陰極,以純H2和O2分別為燃料氣和氧化劑,在600℃,650℃,700℃,750℃,8

3、00℃和850℃操作時(shí),燃料電池最大功率密度分別為13,24,35,48,61和87 mW·cm-2。以納米SDC為原料的電解質(zhì)中空纖維微管,經(jīng)過1450℃燒結(jié)可以達(dá)到致密,抗彎強(qiáng)度超過200 MPR。使用Ni/SDC陽極和Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-x(BSCF)陰極,以純H2和O2為燃料氣和氧化劑,在550℃,600℃,650℃,700℃和750℃操作時(shí),燃料電池最大功率密度分別為27,45,67,89和106 m

4、W·cm-2。兩種電解質(zhì)微管的直徑為1.1～1.4 mm,壁厚210～230μm,因管壁中存在大量的指狀孔結(jié)構(gòu),制約了電解質(zhì)支撐型MT-SOFC功率密度進(jìn)一步提高。
　　 用改進(jìn)的相轉(zhuǎn)化紡絲-燒結(jié)工藝制備了多孔陽極中空纖維,經(jīng)過1200～1400℃焙燒后獲得NiO/YSZ陽極微管,并經(jīng)H2還原得到Ni/YSZ金屬陶瓷微管。在NiO/YSZ微管上,用浸漬.燒結(jié)法制備了一層致密YSZ電解質(zhì)膜,然后在此陽極/電解質(zhì)半電池上涂敷一層多孔

5、La0.8Sr0.2MnO3-x(LSM)的陰極層,制備了陽極支撐型的MT-SOFC。研究表明,用改進(jìn)的相轉(zhuǎn)化紡絲-燒結(jié)工藝可以獲得不對稱孔結(jié)構(gòu)的陽極微管,管壁內(nèi)側(cè)主要分布細(xì)長的指狀孔層,而管壁的外側(cè)主要分布著海綿狀孔,微管表面則形成相對致密的表皮層。1400℃燒結(jié)的微管還原前后的孔隙率分別為21％和37％,還原前后抗彎強(qiáng)度分別為354.MPa和178 MPa,常溫至1400℃燒結(jié)直徑收縮達(dá)到38％,1400℃燒結(jié)并還原的Ni/YSZ微

6、管的電導(dǎo)率772S·cm-1。電解質(zhì)浸漬液用EtOH/MEK溶劑體系,2％的PVB做粘結(jié)劑,5-6％的TEA做表面活性劑,YSZ含量為15％,在經(jīng)過48h的球磨后,可以形成均勻穩(wěn)定的懸浮浸漬液,經(jīng)過2次浸漬可以制備成10μm的電解質(zhì)膜。以LSM作為陰極材料,用EtOH/MEK溶劑體系配制的陰極浸漬液,浸漬一次并燒結(jié)至1200℃,形成20μm厚的陰極膜層。單電池的性能測試表明,對于該陽極支撐型MT-SOFC,以純H2和O2做燃料氣和氧化劑

7、,工作溫度為800℃時(shí),最大功率密度為960 mW·cm-2,若以濕H2和空氣作為燃料氣和氧化劑,工作溫度為800℃時(shí),最大功率密度為820 mW·cm-2,以濕甲烷和空氣為燃料氣和氧化劑,工作溫度為800℃時(shí),最大功率密度為480 mW·cm-2,但容易積碳。
　　 用相轉(zhuǎn)化紡絲法結(jié)合燒結(jié)工藝制備中空纖維陶瓷的技術(shù),為微管式固體氧化物燃料電池提供了一種簡易,廉價(jià),結(jié)構(gòu)理想的制備方法。其中,電解質(zhì)中空纖維支撐的燃料電池強(qiáng)度高,但