低温金属支撑固体氧化物燃料电池制备与性能研究

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固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells,SOFC)直接将燃料中的化学能转换为电能,具有高效率、零污染、模块化程度高、可持续使用等众多优点,被称为21世纪最具发展潜力的绿色能源技术。传统的SOFC多以金属陶瓷(Ni-YSZ)作为支撑体,其材料成本高,结构力学性能差,难以实现机械加工等缺点严重制约了SOFC的商业化。随着SOFC低温化,以及薄膜制备技术的快速发展,使得SOFC制备工艺不断向着高效率、高水平方向发展,电池支撑体的原材料选择范围更为广阔。将金属材料作为SOFC的支撑体,不仅能够提高阳极的导电和导热性能,实现电池快速启动,而且有利于提高SOFC的结构强度,改善机械加工性能。本文以NiO和Fe2O3为原始材料,采用流延-丝网印刷-共烧结-原位还原工艺制备Ni0.7Fe0.3合金支撑SOFC,以Ni-GDC为阳极、GDC为电解质、LSM-BSCF为阴极材料。对Ni0.7Fe0.3合金支撑体力学性能、与电池组件的热匹配性、氧化还原性能进行了研究。对添加10wt.%和2wt.%造孔剂的支撑体采用同轴环施力方式测试断裂强度,应用双扭方法测试电池的断裂韧性,结果表明烧结态支撑体断裂强度为(33.41±0.55)MPa和(36.77±0.59)MPa,断裂韧性为(8.75±0.41)MPa·m1/2和(9.64±0.37)MPa·m1/2,还原之后支撑体的断裂强度为(29.81±0.50)MPa和(32.61±0.60)MPa,断裂韧性为(11.05±0.34)MPa·m1/2和(13.21±0.4)MPa·m1/2。Ni0.7Fe0.3合金支撑体在400900°C的平均CET为14.8×10-66 K-1与电池的阳极(Ni-GDC)和电解质(GDC)具有良好的热匹配性能,有利于提高电池结构稳定性。Ni0.7Fe0.3合金支撑SOFC电化学分析表明,以潮湿的H2作为燃料,在650℃电池的最大功率密度为0.567W·cm-2,相应的阻抗谱分析表明,制约电池性能的主要因素是极化阻抗,以400mA cm-2的电流密度进行放电测试,电池稳定运行了60h,衰减速率约为0.63mV·h-1;MS-SOFC经历5次氧化还原循环和三次热循环后,开路电压发生微小的变化,而电池的最大功率密度下降较多。
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