基于高度非對稱中空纖維電解質(zhì)膜的微管式SOFC制備.pdf

1、微管式固體氧化物燃料電池（Micro Tubular Solid Oxide Fuel Cells, MT-SOFCs）是指直徑約1 mm左右的管狀固體氧化物燃料電池，它具有電極面積大、體積功率密度高、抗熱震性能好、啟動速度快等優(yōu)點，特別在便攜式微型電源及移動式電源等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文應(yīng)用相轉(zhuǎn)化-燒結(jié)技術(shù)，一次性制備出由多孔支撐層和致密表皮層薄膜組成的釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）陶瓷電解質(zhì)中空纖維膜，通過化學鍍法在電解質(zhì)中空纖維膜的

2、多孔支撐層內(nèi)沉積Ni催化劑制得SOFC陽極，在該陽極/電解質(zhì)微管外表面涂覆LSCF陰極，燒結(jié)后即可制得MT-SOFC。本論文系統(tǒng)研究了這一MT-SOFC的制備新工藝。
　　首先，采用相轉(zhuǎn)化-燒結(jié)技術(shù)制備了由多孔支撐層和致密表皮層薄膜組成的高度非對稱結(jié)構(gòu)YSZ陶瓷電解質(zhì)中空纖維膜（微管），研究了鑄膜液組成、非溶劑添加劑以及芯液組成等對陶瓷電解質(zhì)微管結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，當鑄膜液中的聚合物（聚醚砜，PESf）、溶劑（N-甲基砒咯烷酮，

3、NMP）、電解質(zhì)粉體（YSZ）及添加劑的比為1：4：5.4：1.8，且芯液組成為9.4％一縮二乙二醇（DEG）-90.6%NMP溶液時，通過1500℃高溫燒結(jié)4 h后，制得的YSZ陶瓷電解質(zhì)中空纖維膜的表皮致密層厚度約4.68μm，而多孔支撐層的孔隙率可達35.39%，內(nèi)表面上的孔密度達到了5000-8000·mm-2，微管的抗彎強度達到222 MPa。
　　其次，應(yīng)用化學鍍鎳法在YSZ陶瓷電解質(zhì)中空纖維膜的多孔支撐層內(nèi)沉積金屬鎳

4、催化劑，經(jīng)過高溫燒結(jié)氧化-還原后得到MT-SOFC陽極，研究了化學鍍液組成及操作條件對Ni鍍層的影響。結(jié)果表明，當采用組成為26.3 g·L-1 NiSO4，26 g·L-1 NaH2PO2，30 g·L-1 H3BO3，30 g·L-1 NaCl，30 g·L-1三乙醇胺，1.2 g·L-1 NaF的鍍液在70℃施鍍溫度下經(jīng)過30 min的施鍍，制備出的鍍層經(jīng)過1200℃燒結(jié)之后，得到陽極層表面孔隙率可達40.32%，厚度達到了1.3

5、μm，比表面積接近6 m2·g-1。
　　最后，在制備好的Ni-YSZ陽極/電解質(zhì)微管外表面涂覆一層La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-α（LSCF）陰極材料，經(jīng)過高溫燒結(jié)后，制成微管式SOFC單電池。以30 mL·min-1的加濕氫氣為燃料，50 mL·min-1的空氣為氧化劑，測試MT-SOFC在不同溫度下的輸出性能。結(jié)果表明，800℃工作溫度下，電池的開路電壓接近理論值，達到了1.15 V。此溫度條件下電池最大輸出