單室薄膜固體氧化物燃料電池微堆性能影響因素研究.pdf

1、單氣室固體氧化物燃料電池（SC-SOFC）是一種運(yùn)行在燃料和氧氣混合氣氛的新結(jié)構(gòu)固體氧化物燃料電池，具有無需密封、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗機(jī)械沖擊和熱沖擊性能強(qiáng)和比能量密度等優(yōu)點(diǎn)。特別是無需密封和高能量密度使得 SC-SOFC在便攜式發(fā)電裝置方面具有很強(qiáng)的吸引力和發(fā)展前途。但目前對(duì) SC-SOFC電池組（微堆）的研究還不多。
　　本文對(duì)影響 SC-SOFC電池微堆的主要因素和SC-SOFC電池微堆的組裝等進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。
　　陰極通常

2、是在中溫區(qū)運(yùn)行SC-SOFC性能的一個(gè)重要的制約因素。本文選取了常用的La0.7Sr0.3MnO3(LSM)陰極材料及在其基礎(chǔ)上制作的復(fù)合陰極材料作為SC-SOFC的陰極，采用交流阻抗譜技術(shù)研究了它們?cè)趩螝馐覘l件下的性能。結(jié)果表明，SDC浸漬LSM陰極的性能要優(yōu)于采用傳統(tǒng)混合法制備的LSM/SDC和LSM/YSZ復(fù)合陰極。且三種復(fù)合陰極的極化電阻要遠(yuǎn)小于純LSM陰極的極化電阻。四種陰極都對(duì)甲烷的部分氧化反應(yīng)存在一定的催化活性。理論模擬的

3、結(jié)果發(fā)現(xiàn)浸漬LSM陰極的三相反應(yīng)區(qū)要遠(yuǎn)大于LSM/SDC的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。由于SDC浸漬LSM陰極具有更優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)，它對(duì)甲烷部分氧化的催化作用更強(qiáng)。
　　氣體流速是和SC-SOFC傳質(zhì)相關(guān)的主要因素之一，線性排列的兩電池測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著流速的增加，處于氣流末端電池的性能逐漸提高。當(dāng)CH4/O2=1，流速均為120sccm時(shí)前后兩個(gè)電池性能相當(dāng)；CH4/O2=1，氮?dú)饬魉贋?00sccm時(shí)前后兩個(gè)電池性能相近。電池間距對(duì)電池微

4、堆的影響主要是由于不同電池相互靠近的電極之間對(duì)它們之間共同的混合氣氛存在競(jìng)爭(zhēng)，從而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)性較差的電極性能受到影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電池間距為2mm時(shí)，陰極受到影響最明顯；間距為3mm，影響在減弱，但是隨著氣體比例的增加也就是氧含量的降低這種影響又會(huì)有所加劇；間距為4mm時(shí)，間距的影響已經(jīng)微乎其微，可以認(rèn)為直徑為10mm電池組成的陽極對(duì)陰極型電池微堆的臨界間距是4mm。對(duì)三電池組成的SC-SOFC微堆的研究發(fā)現(xiàn)，甲烷部分氧化反應(yīng)所釋放的熱量十

5、分有利于單電池性能的提高，但是在電池微堆中會(huì)導(dǎo)致處于微堆中間的單電池和微堆邊緣的單電池之間的性能存在一定差距，這對(duì)電池微堆總體穩(wěn)定會(huì)有影響。
　　對(duì)尺寸較大的電池組成的電池短堆的研究發(fā)現(xiàn)：要保證電池組正常工作，臨界間距也應(yīng)隨著電池尺寸的增加而增大；電池尺寸和電極面積的增大可以大大提高系統(tǒng)的燃料利用率；燃料利用率隨著氣體流速的降低而升高，在甲烷流速為60-80sccm達(dá)到最高的4.46％，但在燃料利用率和電池性能之間存在一個(gè)平衡。電

6、池短堆中兩個(gè)電池之間加裝 YSZ間隔板能夠消除間距對(duì)陰極的影響。但是，由于陽極上甲烷的耗氧反應(yīng)中，不僅有對(duì) SC-SOFC有利的部分氧化反應(yīng)，還有耗氧量更大的反應(yīng)，且還可能出現(xiàn)對(duì)SC-SOFC工作不利的完全氧化反應(yīng)，所以間距對(duì)陽極也有明顯影響，其根本的原因是陽極選擇催化性能的缺乏。
　　在單層的堇青石多孔陶瓷板上制作了由五個(gè)單電池串聯(lián)而成的陣列式電池微堆。電池微堆中的單電池交錯(cuò)排列成兩列，600℃時(shí)電池微堆最高OCV為4.74V；

7、在700℃，氣體比例為1時(shí)最大輸出功率為420mW（電極總的活化面積為1.4cm2）。兩列電池交錯(cuò)式地排列對(duì)于燃料的有效利用十分有益，能夠提高電池微堆總的燃料利用率。在單層陣列式電池組的基礎(chǔ)上，制作了由四個(gè)單電池和三塊陶瓷板組成的雙層陣列式電池組模塊。電池組模塊由兩級(jí)組成，每級(jí)包含有兩個(gè)單電池。700℃時(shí)，最高的OCV為3.6V，最高功率輸出是228mW，單電池平均功率密度為203mW/cm2。而第一級(jí)的電池組和第二級(jí)的電池組可以通過改