固體氧化物燃料電池若干關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、固體氧化燃料電池(SOFC)是將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能源利用效率高、對(duì)環(huán)境友好的突出優(yōu)點(diǎn)，被稱為二十一世紀(jì)的綠色技術(shù)。SOFC單電池主要包括固體電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極三部分。為了得到較高的輸出功率，需要用連接體將多個(gè)單電池串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)組成電池堆。電池堆的設(shè)計(jì)和制造給我們提出很多新型課題。 利用磁控濺射來(lái)制備電解質(zhì)薄膜，從而使得SOFC的工作溫度由900～1000℃降低到600～850℃，這樣把金屬連接體取

2、代陶瓷連接體變成可能，進(jìn)而擴(kuò)大了封接材料的選擇范圍。同時(shí)也提出金屬和陶瓷(PEN組件)的連接問(wèn)題。 本文在金屬連接體選材與評(píng)估、單電池與電池堆的封裝以及電池集流件加工等方面進(jìn)行了嘗試： (1)根據(jù)SOFC運(yùn)行條件下對(duì)連接體材料的要求，從眾多商業(yè)用高溫耐熱合金中優(yōu)選出鐵素體不銹鋼430、奧氏體不銹鋼310、鎳基超合金718和FeCrAl合金，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)確認(rèn)高溫抗氧化的、導(dǎo)電率高的、熱匹配適宜的并且價(jià)格低廉的FeCr

3、Al合金作為連接體材料。實(shí)驗(yàn)顯示FeCrAl合金具有很好的高溫抗氧化性(可用于1150℃)和較低的熱膨脹系數(shù)(15.1×10-6/℃)。在SOFC的工作溫度(750℃)下的電導(dǎo)率達(dá)到7000S/cm以上。另外，為了抑制鐵素體不銹鋼中Cr揮發(fā)造成陰極中毒，和提高高溫抗氧化的時(shí)效性，成功的在不銹鋼表面制備了YSZ高溫保護(hù)層。 (2)調(diào)研了SOFC封接材料的最近研究進(jìn)展和SOFC封接技術(shù)，包括硬密封、壓力密封、釬焊和柔性密封等。對(duì)Ag

4、-CuO系釬料封接SOFC的空氣硬焊技術(shù)進(jìn)行了嘗試。在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定出適合于制備膏狀釬料的主要工藝參數(shù)。研究了Ag-CuO釬料的潤(rùn)濕性、氣密性和封接強(qiáng)度。通過(guò)改進(jìn)單電池及電池堆的封接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單電池以及電池堆的良好密封。為了提高封接強(qiáng)度和熱循環(huán)性能，克服Ag-CuO釬料存在氣孔的固有缺陷，開(kāi)發(fā)了Ag-8CuO/2YSZ復(fù)合釬料。顯微觀察釬縫組織表明：釬縫組織由低熔點(diǎn)的釬料基體和高熔點(diǎn)的陶瓷顆粒組成，YSZ陶瓷顆粒均勻分布在釬料

5、基體中，有利于改善接頭性能，降低接頭的熱膨脹不均勻性，抑制釬縫內(nèi)氣孔生成。當(dāng)復(fù)合釬料用于單電池密封時(shí)，在750℃工作溫度下，實(shí)現(xiàn)了15次循環(huán)工作，.開(kāi)路電壓穩(wěn)定在1.02～1.09V之間。 (3)為了在顯微鏡下獲得真實(shí)、清晰的組織，研究了釬焊接頭金相試樣制備與顯示技術(shù)。 (4)設(shè)計(jì)并加工了用于電池堆的電流收集裝置，電池堆連接體，電池堆固定裝置，激光焊接夾具等。并成功利用激光焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接體框架的加工。通過(guò)改進(jìn)方法，完善