中空全对称阳极支撑SOFC的制备与特性研究

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传统的阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)由于在高温下所受热应力不均且氧化还原稳定性差,长时间运行容易产生基体翘曲、电解质破裂等问题而影响电池寿命。针对上述问题,本文结合管式SOFC几何对称的特性,设计并制备了中空全对称阳极支撑SOFC,同时对这一新结构电池做了较为深入地研究,取得的研究成果如下:(1)通过干压成型法和丝网印刷工艺获得电池阳极基体及各个功能层,最终成功制备出中空全对称阳极支撑SOFC。对于新结构电池进行了密封、组装和性能测试。该结构电池在H2流量为0.2 SLM,空气流量为0.6 SLM,750℃的条件下最大功率密度能够达到0.48 W/cm2。实验中还制备了工业级别的中空全对称阳极支撑SOFC,电池有效面积达180 cm2。工业级别电池在H2流量为1.2 SLM,空气流量为5.0 SLM,750℃条件下测得最大功率密度为0.268 W/cm2。(2)为了探究新结构电池最佳放电性能的气体流量,本文测试了多组气体流量下电池的放电情况。从燃料利用率的角度考虑,本文重点测试了 0.2 SLM和0.3 SLM氢气流量下的电池放电性能,并且测试了 0.2 SLM和0.3 SLM氢气流量下不同空气流量时的交流阻抗谱。在氢气流量一定时,电池的性能随空气流量的增大而提高,但是当空气量达到1.0 SLM后继续增大空气流量对于电池性能影响不大。(3)研究了电池开路状态和不同放电电流下的交流阻抗谱。发现高频状态下(频率大于10 kHz)阻抗不随放电电流变化,中频段(10 kHz~100 Hz)和低频段(100 Hz~0.01 Hz)阻抗随放电电流变化明显。根据交流阻抗数据,拟合出极化阻抗随电流对数的一次函数。通过改变阳极气体成份和氢气占比,确定了低频段弧表示电池的阳极过程。(4)测试了电池在稀薄气氛极端条件下的放电性能,通过多次放电循环证明了新结构电池具有良好的氧化还原稳定性。直接在阳极端通入氮气测试电池瞬时放电,证明了电池基体中的Ni可以参与电化学反应而能够保持电池微观结构完好。为后续发展以阳极金属为储能媒介的高温固态储能电池提供了可能。
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