中溫固體氧化物燃料電池密封材料的制備與電池堆的設(shè)計(jì)制造.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置。SOFC電池堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有管式設(shè)計(jì)與平板式設(shè)計(jì)兩種。相對(duì)于管式設(shè)計(jì),平板式SOFC擁有著電流路徑短,集電容易的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前SOFC的研究熱點(diǎn)。由于SOFC工作時(shí)需要對(duì)燃料氣體與氧化氣體在很高的溫度下進(jìn)行隔離,而高溫(800～1000℃)下的密封較為困難,所以開發(fā)了中溫固體氧化物燃料電池(500～700℃)。SOFC的中溫化不僅可以提高電池的開路電壓,還降低了SOFC的密封

2、難度。而要實(shí)現(xiàn)SOFC電池堆的中溫化,不僅需要研制在500～700℃下能正常工作的單電池與連接體材料,還需要開發(fā)與之相適應(yīng)的密封材料與組裝方法。本文主要研究了中溫固體氧化物燃料電池堆(IT-SOFCs)的密封材料制備、平板式單電池的制備以及電池堆的初步制造。全文的主要結(jié)論如下:
　　 1.設(shè)計(jì)了硼酸鹽IT-SOFCs密封材料組分,對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的熔融、成形與晶化試驗(yàn),對(duì)材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度、軟化點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)及熱失重等性能進(jìn)行了

3、測試分析,得到最優(yōu)的材料組成,并制備出密封材料。實(shí)驗(yàn)測定摩爾百分組分為SrCO34.95％、La2O36.00％、Al2O39.89％、B2O339.58％和NiO4.95％時(shí)的微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)為9.71×10-6K-1(25～600℃),試樣的玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg在578℃,結(jié)晶溫度Tc在609℃,玻璃軟化點(diǎn)Tf約在630℃。其在600℃時(shí)于濕氫氣氣氛中加熱50h后失重率為1.64％。上述微晶玻璃分別與YSZ及不銹鋼板在650℃燒結(jié)2

4、h,再在600℃保溫10h后,SEM觀察界面粘附性好且無明顯反應(yīng)層,在600℃下的電阻率為2.5×105Ω·cm,結(jié)果表明該組分的微晶玻璃適合作為IT-SOFCs用密封材料。
　　 2.采用軋膜法制備了IT-SOFCs用的NiO-YSZ陽極支撐體平板,NiO-YSZ陽極支撐體坯體在1400℃下空氣氣氛中燒結(jié)4h后相對(duì)密度達(dá)到80.5％。陽極支撐體的孔徑分布在的1.60-19.60μm范圍內(nèi),平均孔徑為2.85μm。其在600℃下

5、于H2氣氛中還原2h后的電導(dǎo)率超過300S／cm,20℃至600℃的熱膨脹系數(shù)值為10.51×10-6K-1。采用滴涂法在NiO-YSC陽極支撐體表面滴涂了YSZ薄膜電解質(zhì)并于1400℃下共燒成形。采用涂覆法在致密的NiO-YSZ／YSZ雙層結(jié)構(gòu)上涂覆了使用凝膠澆注法制備的Ba0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ陰極材料,其在600℃下的電導(dǎo)率為30S／cm。并在1100℃下燒結(jié)制備出中溫SOFC電池堆用的平板型單電池(尺寸60

6、mm×60mm)。
　　 3.進(jìn)行了基于NiO-YSZ／YSZ／BSCF單電池的IT-SOFCs電池堆設(shè)計(jì),分析了基于粉末成形方法與機(jī)械加工方法的電池連接體材料設(shè)計(jì),最終選用過了經(jīng)過機(jī)械加工和電火花成型加工(EDM)的冷軋SUS430鐵素體不銹鋼作為IT-SOFCs的連接體材料,并對(duì)其表面涂覆了La0.8Sr0.2FeO3(LSF)抗氧化涂層,同時(shí)使用硼酸鹽系微晶玻璃作為密封材料對(duì)IT-SOFCs進(jìn)行了封裝。對(duì)最終獲得的SOFC