Ni基金屬支撐固體氧化物燃料電池的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）由于具有高效率、燃料適用性廣以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為最有前途的能量轉(zhuǎn)換裝置。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SOFC在關(guān)鍵材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備工藝上已經(jīng)達(dá)到一個(gè)較高的技術(shù)水平。但是，傳統(tǒng) SOFC的商業(yè)化仍存在諸多問題，如材料成本過高、快速熱循環(huán)及機(jī)械振動(dòng)易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效、復(fù)雜陶瓷部件難以制備加工等。金屬支撐型SOFC（MS-SOFC）由于成本較低、耐久性好，且易于加工，成為SOFC商業(yè)化最有前途的發(fā)展方向。
　　

2、MS-SOFC具有潛在優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)發(fā)展仍面臨許多挑戰(zhàn)。其中之一就是在MS-SOFC中同樣存在電極材料的Cr毒化現(xiàn)象。金屬支撐體與Ni基陽(yáng)極中Fe、Cr、Ni的相互擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致電池性能的快速衰減。Ni-Fe二元合金由于熱膨脹系數(shù)與常用電解質(zhì)材料較為匹配，且不含易揮發(fā)擴(kuò)散的Cr元素而受到研究者的關(guān)注。但是，目前關(guān)于Ni-Fe合金支撐SOFC的研究報(bào)道僅停留在單電池的放電性能層面，對(duì)于不同組分多孔Ni-Fe合金的熱機(jī)械性能以及合金組分對(duì)單電池

3、性能穩(wěn)定性的影響尚未有所報(bào)道。本論文分別從支撐體自身的熱機(jī)械性能以及單電池性能的穩(wěn)定性兩個(gè)層面對(duì)多孔Ni-Fe合金作為SOFC支撐體進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。
　　采用低成本的制備工藝并避免金屬基體的氧化，是MS-SOFC的發(fā)展所面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。目前MS-SOFC的制備通常采用還原氣氛中高溫共燒結(jié)或者成本較高的物理/氣相/等離子薄膜沉積技術(shù)。本文探索研究了低成本高效率的流延-絲網(wǎng)印刷-共燒結(jié)工藝，分析研究了制備過程中各工藝參數(shù)的影響，并對(duì)其

4、進(jìn)行優(yōu)化。共燒結(jié)過程中，升溫階段各層材料之間燒結(jié)收縮速率的匹配性以及燒結(jié)冷卻階段不同材料之間熱膨脹系數(shù)的匹配性，是成功制備電池的關(guān)鍵。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)在于以金屬氧化物為初始材料，支撐體在測(cè)試時(shí)原位還原，避免了金屬組分在高溫?zé)Y(jié)時(shí)的熱腐蝕。空氣氣氛中的共燒結(jié)則避免了陰極在非氧環(huán)境中的分解問題。
　　本論文首先對(duì)不同F(xiàn)e含量Ni-Fe合金支撐體的氧化還原及熱循環(huán)行為進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。然后分別以摻雜的ZrO2和CeO2為電解質(zhì)材料，制備

5、了Ni/Ni-Fe支撐SOFC。以100ml/min加濕氫氣為燃料，200ml/min空氣為氧化劑，對(duì)電池在中低溫時(shí)的放電性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及氧化還原和熱循環(huán)時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。實(shí)驗(yàn)得出以下主要結(jié)論：
　?。?）Fe的加入提高了Ni-Fe合金的抗氧化性，在SOFC典型運(yùn)行溫度下空氣氣氛中多孔Ni/Ni-Fe支撐體展現(xiàn)出多級(jí)線性氧化動(dòng)力學(xué)。
　?。?）Fe的加入降低了Ni-Fe合金的熱膨脹系數(shù)，改善了支撐體與SOFC其他組

6、成材料的熱膨脹匹配性，但同時(shí)又促進(jìn)了金屬的燒結(jié)收縮，降低了多孔支撐體在熱循環(huán)時(shí)的尺寸穩(wěn)定性。
　?。?）以YSZ為電解質(zhì)、GDC-LSCF為陰極的Ni支撐SOFC在800oC時(shí)的峰值功率密度高達(dá)1.52W·cm-2,為目前已報(bào)道的采用同類催化劑材料MS-SOFC的最高值。
　?。?）Ni支撐的SOFC在恒流放電及熱循環(huán)時(shí)穩(wěn)定性較優(yōu)，Ni-Fe支撐的SOFC則在750oC氧化還原循環(huán)時(shí)表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在Ni-Fe支撐體中加