直接火焰燃料电池关键器件的制备与微堆设计
发布时间：2020-08-13 06:24
【摘要】：直接火焰燃料电池(DFFC)是近十年提出的一种新型SOFC运行装置,其有诸如无需气室结构和密封材料,电池启动时间短,易于实现热电联供等优点。本文对DFFC的微堆设计和输出性能进行了系统的研究,同时用流延成型法制备了DFFC的关键器件:Al_2O_3电池搭载板和SOFC的流延电解质,以期提高DFFC的输出性能和工作寿命。首先,按照传统对DFFC的研究方法,搭建并改进了以云母板为搭载板的DFFC装置,经过长时间测试,发现云母板强度下降且易碎。因此通过流延成型法成功制备耐高温、绝缘性好且易于加工的Al_2O_3电池搭载板代替云母板。为了降低SOFC中电解质的厚度,达到减少电解质欧姆阻抗以提高电池输出性能的目的,通过流延成型法成功制备了厚度较薄的YSZ和ScSZ电解质,流延电解质成品厚度为100μm和200μm。对于YSZ流延电解质,通过实验对比确认其最佳烧结温度为1400℃。对两种流延电解质片进行阻抗测试,测得在800℃下YSZ和ScSZ电解质的电导率分别为0.056 Scm-1和0.071 Scm-1。其次,用制得的流延电解质制成全电池进行双气室SOFC测试并与传统压制法电解质进行对比,发现流延电解质全电池由于电解质厚度较小,其欧姆阻抗小于压制法的,但由于电解质与电极接触面附近的电极烧结质量不好,流延全电池极化阻抗偏大,使得流延电解质的全电池输出性能偏小。为了改善电极得烧结质量,对电解质表面进行了粗糙化处理,处理后的电解质表面产生许多较大的电解质颗粒,增大了电解质表面积,降低了电极的活化极化,提升了电池性能输出。流延YSZ为电解质的Ni/YSZ全电池在850℃的峰值功率密度可达393 m W·cm-2,阻抗较低,欧姆阻抗0.17Ωcm2,极化阻抗0.68Ωcm2,这样经过粗糙化的流延电解质性能远远优于其它电解质的性能。最后,为了提高DFFC的输出性能,本文研究了如何以低廉的成本,提高阴极周围气氛的温度,减低阴极附近燃气分压的同时提高氧气分压,最终设计出不锈钢管搭建的DFFC装置。对不锈钢管搭载DFFC微堆进行3 h内的6次循环升降温测试后仍能正常放电。用Ni/YSZ阳极支撑电池设计了多片电池的串联电池堆,6块电池串联的开路电压可达4.3 V,阴极温度610℃的峰值功率密度约为150 mW·cm-2,可在实际应用中为外部负载输出电能。测试了压制法和流延法YSZ电解质支撑的电池输出性能,阴极温度在620~630℃的峰值功率密度分别达到45.8 mW·cm-2和32.3 mW·cm-2。综上所述,通过对直接火焰燃料电池的电池搭载板和电解质片的制备和微堆设计的改进,提高了DFFC的输出性能和使用寿命。在对流延电解质的研究中,用流延成型法成功制备欧姆阻抗小的电解质,用表面粗糙化的方法优化了电解质电极界面微结构。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.4
【图文】：
图 1-1 氧离子传导型 SOFC 工作示意图空气中的游离氧吸附到阴极表面，解离后在阴极催化变成氧离子，通过有离子导电性的电解质扩散输运到的氢气在阳极的催化作用下生成氢原子，与输运来的和电子，电子从阳极出发，沿着外电路经过负载作功应，形成了一个完整的电流回路，实现了将燃料化学负载工作的目的[2,6]。SOFC 的电极反应可用 Kronge 2O-2Oe -2OO V 2e (HO2
气和氧化气的直接接触；（4）为了提高 SOFC 的使用寿命，电解质需要有较高的结构稳定性和机械强度，也要与其它接触的 SOFC 部件之间有相近的热膨胀率和较好的化学相容性。目前 SOFC 研究中大部分电解质是氧离子传导型，包括具有立方萤石结构的掺杂 Y2O3的 ZrO2（YSZ），掺杂 Sc2O3的 ZrO2（ScSZ），Gd、Sm、Y 掺杂氧化铈（GDC、SDC、YDC）和具有钙钛矿结构的 Sr、Mg 掺杂镓酸镧（LaGaO3-δ）等[15,16]。如今，Y2O3的 ZrO2（YSZ）仍然是高温 SOFC（800~1000oC）的首选电解质材料[1]。1.2.3. SOFC 的运行模式SOFC 按照其燃料和氧化剂气体的提供方式及组成结构的不同分为三类：双室 SOFC，单室 SOFC（SC-SOFC）和无密封无气室的直接火焰 SOFC（DF-SOFC或 DFFC）[17]。如图所示。这三种模式的 SOFC 的最基本工作原理相同，但三者装置结构和工作气氛却有明显的不同。本文所主要研究的 DF-SOFC 就是无气室的直接火焰 SOFC，即图 1-2 的 C
1）流延法适合制备大面积，平板状的陶瓷。2）相比于传统薄膜成型方法，流延法的成本较为低廉。3）可以控制成膜的厚度，在原料配比一定，浆料黏度恰当的情况下，流延得的膜厚度可有刮刀厚度来控制，理论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强度，便于切割、冲片等各种加工处5）在浆料配置适当的情况下，制备的片状陶瓷缺陷较少。.4.2 流延法工艺步骤流延成型工艺根据添加剂的不同可分为水基流延和非水基流延，水基流延有无毒性、不易燃的优点，但其存在的问题仍很多：（1）蒸发速率低，干间长；（2）溶剂中氢键易引起陶瓷颗粒凝聚；（3）实验中操作工艺及环境对流延膜的影响较大，不易得到光滑致密的生坯；（4）干燥时容易气泡开曲变形；（5）缺陷在烧结时产生的应力会导致陶瓷片开裂[9,24]。因此，目前应用的流延成型工艺为非水基流延工艺。其工艺步骤主要有浆料制备、球泡、流延成型、干燥、剥离、排胶和烧结等工序[25,26]。其工序如下图 1-3 所
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM911.4
【图文】：
图 1-1 氧离子传导型 SOFC 工作示意图空气中的游离氧吸附到阴极表面，解离后在阴极催化变成氧离子，通过有离子导电性的电解质扩散输运到的氢气在阳极的催化作用下生成氢原子，与输运来的和电子，电子从阳极出发，沿着外电路经过负载作功应，形成了一个完整的电流回路，实现了将燃料化学负载工作的目的[2,6]。SOFC 的电极反应可用 Kronge 2O-2Oe -2OO V 2e (HO2
气和氧化气的直接接触；（4）为了提高 SOFC 的使用寿命，电解质需要有较高的结构稳定性和机械强度，也要与其它接触的 SOFC 部件之间有相近的热膨胀率和较好的化学相容性。目前 SOFC 研究中大部分电解质是氧离子传导型，包括具有立方萤石结构的掺杂 Y2O3的 ZrO2（YSZ），掺杂 Sc2O3的 ZrO2（ScSZ），Gd、Sm、Y 掺杂氧化铈（GDC、SDC、YDC）和具有钙钛矿结构的 Sr、Mg 掺杂镓酸镧（LaGaO3-δ）等[15,16]。如今，Y2O3的 ZrO2（YSZ）仍然是高温 SOFC（800~1000oC）的首选电解质材料[1]。1.2.3. SOFC 的运行模式SOFC 按照其燃料和氧化剂气体的提供方式及组成结构的不同分为三类：双室 SOFC，单室 SOFC（SC-SOFC）和无密封无气室的直接火焰 SOFC（DF-SOFC或 DFFC）[17]。如图所示。这三种模式的 SOFC 的最基本工作原理相同，但三者装置结构和工作气氛却有明显的不同。本文所主要研究的 DF-SOFC 就是无气室的直接火焰 SOFC，即图 1-2 的 C
1）流延法适合制备大面积，平板状的陶瓷。2）相比于传统薄膜成型方法，流延法的成本较为低廉。3）可以控制成膜的厚度，在原料配比一定，浆料黏度恰当的情况下，流延得的膜厚度可有刮刀厚度来控制，理论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强度，便于切割、冲片等各种加工处5）在浆料配置适当的情况下，制备的片状陶瓷缺陷较少。.4.2 流延法工艺步骤流延成型工艺根据添加剂的不同可分为水基流延和非水基流延，水基流延有无毒性、不易燃的优点，但其存在的问题仍很多：（1）蒸发速率低，干间长；（2）溶剂中氢键易引起陶瓷颗粒凝聚；（3）实验中操作工艺及环境对流延膜的影响较大，不易得到光滑致密的生坯；（4）干燥时容易气泡开曲变形；（5）缺陷在烧结时产生的应力会导致陶瓷片开裂[9,24]。因此，目前应用的流延成型工艺为非水基流延工艺。其工艺步骤主要有浆料制备、球泡、流延成型、干燥、剥离、排胶和烧结等工序[25,26]。其工序如下图 1-3 所
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 王雨晴;史翊翔;余先恺;蔡宁生;;直接火焰燃料电池热应力分析及性能研究[J];燃烧科学与技术;2014年03期
2 吕U
本文编号：2791646
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huagong/2791646.html
