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,顯現出多種優勢,如機械性能增強,傳質傳熱表面增大,體積功率密度提高,升降溫速率加快等,在便攜電源、交通運輸動力電源和不間斷電源(UPS)等領域具有廣闊的應用前景。本文利用相轉化-紡絲技術結合燒結工藝,制備了具有獨特孔結構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,并對其性能進行了系統研究。
　　 首先,以Y2O3穩定的ZrO2(YSZ)和Sm

2、2O3摻雜的CeO2(SDC)為電解質材料,通過相轉化法紡絲并燒結到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支撐型MT-SOFC。研究發現,以納米YSZ粉體為原料制備的電解質中空纖維陶瓷微管經過1600℃燒結后可以致密,抗彎強度最大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,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為原料的電解質中空纖維微管,經過1450℃燒結可以達到致密,抗彎強度超過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,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構,制約了電解質支撐型MT-SOFC功率密度進一步提高。
　　 用改進的相轉化紡絲-燒結工藝制備了多孔陽極中空纖維,經過1200～1400℃焙燒后獲得NiO/YSZ陽極微管,并經H2還原得到Ni/YSZ金屬陶瓷微管。在NiO/YSZ微管上,用浸漬.燒結法制備了一層致密YSZ電解質膜,然后在此陽極/電解質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,用改進的相轉化紡絲-燒結工藝可以獲得不對稱孔結構的陽極微管,管壁內側主要分布細長的指狀孔層,而管壁的外側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℃燒結的微管還原前后的孔隙率分別為21％和37％,還原前后抗彎強度分別為354.MPa和178 MPa,常溫至1400℃燒結直徑收縮達到38％,1400℃燒結并還原的Ni/YSZ微

6、管的電導率772S·cm-1。電解質浸漬液用EtOH/MEK溶劑體系,2％的PVB做粘結劑,5-6％的TEA做表面活性劑,YSZ含量為15％,在經過48h的球磨后,可以形成均勻穩定的懸浮浸漬液,經過2次浸漬可以制備成10μm的電解質膜。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,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,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,最大功率密度為480 mW·cm-2,但容易積碳。
　　 用相轉化紡絲法結合燒結工藝制備中空纖維陶瓷的技術,為微管式固體氧化物燃料電池提供了一種簡易,廉價,結構理想的制備方法。其中,電解質中空纖維支撐的燃料電池強度高,但