【摘要】：直接火焰燃料電池(DFFC)是近十年提出的一種新型SOFC運(yùn)行裝置,其有諸如無需氣室結(jié)構(gòu)和密封材料,電池啟動時間短,易于實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供等優(yōu)點(diǎn)。本文對DFFC的微堆設(shè)計(jì)和輸出性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,同時用流延成型法制備了DFFC的關(guān)鍵器件:Al_2O_3電池搭載板和SOFC的流延電解質(zhì),以期提高DFFC的輸出性能和工作壽命。首先,按照傳統(tǒng)對DFFC的研究方法,搭建并改進(jìn)了以云母板為搭載板的DFFC裝置,經(jīng)過長時間測試,發(fā)現(xiàn)云母板強(qiáng)度下降且易碎。因此通過流延成型法成功制備耐高溫、絕緣性好且易于加工的Al_2O_3電池搭載板代替云母板。為了降低SOFC中電解質(zhì)的厚度,達(dá)到減少電解質(zhì)歐姆阻抗以提高電池輸出性能的目的,通過流延成型法成功制備了厚度較薄的YSZ和ScSZ電解質(zhì),流延電解質(zhì)成品厚度為100μm和200μm。對于YSZ流延電解質(zhì),通過實(shí)驗(yàn)對比確認(rèn)其最佳燒結(jié)溫度為1400℃。對兩種流延電解質(zhì)片進(jìn)行阻抗測試,測得在800℃下YSZ和ScSZ電解質(zhì)的電導(dǎo)率分別為0.056 Scm-1和0.071 Scm-1。其次,用制得的流延電解質(zhì)制成全電池進(jìn)行雙氣室SOFC測試并與傳統(tǒng)壓制法電解質(zhì)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)流延電解質(zhì)全電池由于電解質(zhì)厚度較小,其歐姆阻抗小于壓制法的,但由于電解質(zhì)與電極接觸面附近的電極燒結(jié)質(zhì)量不好,流延全電池極化阻抗偏大,使得流延電解質(zhì)的全電池輸出性能偏小。為了改善電極得燒結(jié)質(zhì)量,對電解質(zhì)表面進(jìn)行了粗糙化處理,處理后的電解質(zhì)表面產(chǎn)生許多較大的電解質(zhì)顆粒,增大了電解質(zhì)表面積,降低了電極的活化極化,提升了電池性能輸出。流延YSZ為電解質(zhì)的Ni/YSZ全電池在850℃的峰值功率密度可達(dá)393 m W·cm-2,阻抗較低,歐姆阻抗0.17Ωcm2,極化阻抗0.68Ωcm2,這樣經(jīng)過粗糙化的流延電解質(zhì)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它電解質(zhì)的性能。最后,為了提高DFFC的輸出性能,本文研究了如何以低廉的成本,提高陰極周圍氣氛的溫度,減低陰極附近燃?xì)夥謮旱耐瑫r提高氧氣分壓,最終設(shè)計(jì)出不銹鋼管搭建的DFFC裝置。對不銹鋼管搭載DFFC微堆進(jìn)行3 h內(nèi)的6次循環(huán)升降溫測試后仍能正常放電。用Ni/YSZ陽極支撐電池設(shè)計(jì)了多片電池的串聯(lián)電池堆,6塊電池串聯(lián)的開路電壓可達(dá)4.3 V,陰極溫度610℃的峰值功率密度約為150 mW·cm-2,可在實(shí)際應(yīng)用中為外部負(fù)載輸出電能。測試了壓制法和流延法YSZ電解質(zhì)支撐的電池輸出性能,陰極溫度在620~630℃的峰值功率密度分別達(dá)到45.8 mW·cm-2和32.3 mW·cm-2。綜上所述,通過對直接火焰燃料電池的電池搭載板和電解質(zhì)片的制備和微堆設(shè)計(jì)的改進(jìn),提高了DFFC的輸出性能和使用壽命。在對流延電解質(zhì)的研究中,用流延成型法成功制備歐姆阻抗小的電解質(zhì),用表面粗糙化的方法優(yōu)化了電解質(zhì)電極界面微結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM911.4
【圖文】：

圖 1-1 氧離子傳導(dǎo)型 SOFC 工作示意圖空氣中的游離氧吸附到陰極表面，解離后在陰極催化變成氧離子，通過有離子導(dǎo)電性的電解質(zhì)擴(kuò)散輸運(yùn)到的氫氣在陽極的催化作用下生成氫原子，與輸運(yùn)來的和電子，電子從陽極出發(fā)，沿著外電路經(jīng)過負(fù)載作功應(yīng)，形成了一個完整的電流回路，實(shí)現(xiàn)了將燃料化學(xué)負(fù)載工作的目的[2,6]。SOFC 的電極反應(yīng)可用 Kronge 2O-2Oe -2OO V 2e (HO2

氣和氧化氣的直接接觸；（4）為了提高 SOFC 的使用壽命，電解質(zhì)需要有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，也要與其它接觸的 SOFC 部件之間有相近的熱膨脹率和較好的化學(xué)相容性。目前 SOFC 研究中大部分電解質(zhì)是氧離子傳導(dǎo)型，包括具有立方螢石結(jié)構(gòu)的摻雜 Y2O3的 ZrO2（YSZ），摻雜 Sc2O3的 ZrO2（ScSZ），Gd、Sm、Y 摻雜氧化鈰（GDC、SDC、YDC）和具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 Sr、Mg 摻雜鎵酸鑭（LaGaO3-δ）等[15,16]。如今，Y2O3的 ZrO2（YSZ）仍然是高溫 SOFC（800~1000oC）的首選電解質(zhì)材料[1]。1.2.3. SOFC 的運(yùn)行模式SOFC 按照其燃料和氧化劑氣體的提供方式及組成結(jié)構(gòu)的不同分為三類：雙室 SOFC，單室 SOFC（SC-SOFC）和無密封無氣室的直接火焰 SOFC（DF-SOFC或 DFFC）[17]。如圖所示。這三種模式的 SOFC 的最基本工作原理相同，但三者裝置結(jié)構(gòu)和工作氣氛卻有明顯的不同。本文所主要研究的 DF-SOFC 就是無氣室的直接火焰 SOFC，即圖 1-2 的 C

1）流延法適合制備大面積，平板狀的陶瓷。2）相比于傳統(tǒng)薄膜成型方法，流延法的成本較為低廉。3）可以控制成膜的厚度，在原料配比一定，漿料黏度恰當(dāng)?shù)那闆r下，流延得的膜厚度可有刮刀厚度來控制，理論上可以制得任意厚度的薄膜。4）流延所得生坯由于其有一定塑性和強(qiáng)度，便于切割、沖片等各種加工處5）在漿料配置適當(dāng)?shù)那闆r下，制備的片狀陶瓷缺陷較少。.4.2 流延法工藝步驟流延成型工藝根據(jù)添加劑的不同可分為水基流延和非水基流延，水基流延有無毒性、不易燃的優(yōu)點(diǎn)，但其存在的問題仍很多：（1）蒸發(fā)速率低，干間長；（2）溶劑中氫鍵易引起陶瓷顆粒凝聚；（3）實(shí)驗(yàn)中操作工藝及環(huán)境對流延膜的影響較大，不易得到光滑致密的生坯；（4）干燥時容易氣泡開曲變形；（5）缺陷在燒結(jié)時產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致陶瓷片開裂[9,24]。因此，目前應(yīng)用的流延成型工藝為非水基流延工藝。其工藝步驟主要有漿料制備、球泡、流延成型、干燥、剝離、排膠和燒結(jié)等工序[25,26]。其工序如下圖 1-3 所

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 王雨晴;史翊翔;余先愷;蔡寧生;;直接火焰燃料電池?zé)釕?yīng)力分析及性能研究[J];燃燒科學(xué)與技術(shù);2014年03期

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本文編號：2791646