固体氧化物燃料电池发展现状与关键技术概要

1、 功 能材料与器件学报 卷 关键材料和部件 的规模化制备 电堆 和测试 技术 以 及 系统集成等领域 与美 国 欧洲 日本 等发 达 国家的先 进水平存在着一 定的差距 值得引起 足 够的重视 , 、 、 、 。 平板式 , 的设计与制备 平板设计的主要 目的是要 降低 电极 和 电解质层 的 厚度 从 而 使其在较低工 作温 度下 仍具 有较高的功率 密度 平板式 、 。 单 电池的设计一 般有 种 阴极 支 。 一 撑 电解质支撑和阳极 支撑 由于 阳极材料 含有金属成分 电阻最 小 导热率最 高 热冲击抗 力最 , , , 图 单 电池生 产 工 艺 流程 , 大 并易于调 节热膨胀系数

2、 和孔隙率 最 为适 合制成满 , , 迄 今 为 止 若 干 陶瓷 薄 膜 制 造 技 术在 单 电池 的 制 备 中得 到 了 应 用 侧 如 流 延 轧 膜 凝 , , 、 、 足性能要求的支撑体 因此 这 种设 计被 广为采用 , , 。 图 胶浇 注 丝 网 印刷 浆料涂 覆 电泳沉 积 热喷涂 以 及 胶 体沉 积 等技术 。 、 、 、 、 为 阳极 支撑平板 单 电池的示 意图 其中阳极 支 阳极 功 能层 。 、 , 制造 技术 的选 择取 决 于 薄膜厚度 。 撑体的厚度小 于 一 的厚度均在 , 电解 质和 阴极 。 和 低成本规模化 生 产 的要 求 对 于 阳极 支撑

3、体 的厚 、 的范围内 鉴 于 多层 陶瓷工 艺技 、 度在 以 内 选 用 流 延 技术 非 常合 适 而 阳 极 , , 术的特点 平板 式单 电池 的面 积不 宜过 大 综 合考虑 拟实现 的输 出功率 生产工 艺 和 生 产 成本 等 因素 目前 田 广泛应用 的有 效单 电池 面 积 大致在 田 , , 电解 质 和 阴极 的厚度均低 于 术 则能够满足 要 求 。 图 精 密 丝 网 印刷技 展 示 了采 用 流 延 和 丝 网 印 , 刷制 备平 板 式 田 姗 的范围内 。 一 单 电池 的技术 流程 流 延 丝 网 印刷技术 制备 阳 极 支撑 单 电池 的 素 坯 随 后

4、采 用 。 多层 陶瓷共烧结 完成单 电池 的制备 、 在流延 和 丝 网 、 印刷工 艺中包括准备浆料 流延 印刷 以 及 控制 干 燥 、 等步骤 共烧结 工 艺 则需优化升 温 速 率 保 温 时 间 和 冷却速 率 等 参 数 以 满 足 脱 除 粘 结 剂 和 烧 结 的 要 求 防止 产 生 裂 纹 和 变形 平板式 , , 。 电堆是 由单 电池 在 垂 直 平 面 的 方 、 、 向上 串联 而 成 其 中的主 要 部件有 单 电池 金 属 连接 群 飞 。 一 体 气体 流 场 等 。 、 密封 件 和 气 体 流 腔 , 在 设 计 中应该 考 虑 到 燃 料 气体 和 氧

5、 化 气 图 阳极支撑平 板 式 单 电池示 意 图 体 分别 能够均匀 传输 到 多孔 阳极 和 阴极 的 表 面 上 群 平 板式 电堆 示 意 图 贬 旦 内流腔 和 外流 腔 期 李箭 等 固体 氧化 物燃料 电池 发 展 现 状与 关键技术 。 , 并保持 良好 的接 触 和 密封 气体 流腔 的作用是 分别 , 将来 源 于 管道 的 气 体传送 到 相 应 的 电堆 进 气 面 上 并在 电堆 的出 气面 上 收 集 流出的气 体 腔 之分 如 图 , 。 通 常有 内流 , 和外流腔 所示 。 内流 腔 是 电堆 的 一 部 分 , 通 常是 由连 接 体 中 的 开 放 部

6、分堆 垛 而 形 成 的 腔 体 外 流 腔 则是一 个 独 立 于 电堆 的 盖 状 部件 在外 力 的 作用下 通 过 密封 圈 分别 固定在 电 堆 的进 气 面 和 出 气面上 。 , 与 内流腔相 比 外 流腔 设 计有结 构 简单 密 , , , , , , 封件 少 等优点 然 而 就 目前 的 技术 而 言 内流腔技 术较为成熟 为多数研 究着 所 采用 。 图 我 国第一 台 测 试设 备样 机 测 试 技术 严格 的 , 结语 研究 开 发过 程 中 必 、 测试 是 , 是一 种 高效 节 能 清 洁 安 静 和 可 靠 的 电化学发 电装 置 。 、 、 、 不 可 少

7、 的重 要 环 节 其 目的是 评估 相 关部件 的材 料 它 在 电 力 市场 交 通 运 输 和 军 事 。 、 设 计 和 性 能 为进 一 步优 化 单 电 池 和 电 堆综 合 性 能 等领 域有着广泛 的应 用 前 景 不 同的设 计 着 眼 于 不 提供依据 。 最 基 本 的测试 包括单 电池 和 电堆 两 个 不 。 , 、 同的市场 阴极 支 撑 的大 管 型 瓦 级 的 电站 阳极 支撑 的微管 一 主要 适 用 于 兆 适 用 于 作为 左右 适用 于 , 同层次 的测试 在 单 电池 测 试 中 主 要是 评 估单 电 池 的材料 性 能 和 衰减速率 评 估 连 接

8、体 材料 和 密封 材 料 的性 能 以 及 各 界 面 之 间的结 合情 况 、 、 级 的 移动或 固 定 电 源 目前 平 板 式 , 的工 作 面 积 多 在 火 , 。 在测 试 的 过 程 将 判 、 , 的 固定 或 移 动 电站 级 的 平板 总之 , 断工 作 温 度 气体 成 分 气流量 电流密度 热 循 环 , 、 、 已 经 纳 人 美 国 政 府 的 研 究计 划 之 中 燃料利 用 率等 多个 参数 对 性能 的 作 用 机 制 并探 索 出提 高热循 环 和 稳 态 寿命 的方法 并将 其用 于 电堆 , 技术 的研 究 和 开 发 受 到 了 世 界 许 多 国

9、 家 的 普 遍 重 视 包括 美 国 欧 洲 日本 澳 大 利 亚 韩 国 等 , , 、 , , , 。 , 。 这一 在 电 堆 测 试 过 程 中 主 要 是评 估 部 件 之 间 的连 技术 的成 功应 用 对 于 缓 解能 源 危 机 满 足 人 类 对 电 力 数 量 和 质量 的 需 求 保 护 人 类 的 生 存 环 境 以 及 保 、 接 情 况 和 相互适 应性 连 接 体 和 气体流 场 的设 计 热 循 环 特 性 以 及 长 时间性 能衰减 速 率 、 、 、 。 所 需 控制 的参 。 障 国 家安全 都具 有 重 大 的 意 义 , 。 我国 , 技术 的 技

10、、 数是 气 体成分 流 量 和 电 流 密 度 等 参 数 , , 、 电堆测 试 研究 与与开 发 正 在 逐 步 兴 起 与 世 界 先 进 水平 还 存 应该 是 分阶段 进 行 从 小 型 电 堆 逐 步 增 加 到 设 计 所 要 求 的功 率 从 而 判 断 界 面 增 加 气 体分 配 均匀 性 和 在着 一 定 的 差 距 。 就 目前 世 界 水 平 而 言 , 、 术 还 不 能满 足 商 业 化 的要 求 在 材 料 设 计 制 备 和 热 量积 累对 电 堆性能 的 影 响 , 。 集成 等各个领 域都有 待 于 深 人 的探 索 。 目前 仅 有 少 量 几 个 外

11、 国公 司 能够 提 供 的测 试 设 备 如 加 拿 大 的 , , , 和 参考 文 献 , , 等公 司 然 而 价 格 昂 贵 售 后 服务 困难 。 群 , 自主开 发我 国 的 , 测试平 台对 于 。 二 一 我国 技 术 的研究 与 开 发 至 关 重 要 就 目前 国 , 。 内 的情 况 来 看 武 汉 力 兴 测试 设 备 有 限 公 司 正 在 进 一 仁 行 不 同功 率 大 小 的 样机 见 图 测 试 设 备 的开 发 工 作 其 。 一 的适 用 性 已 经 的 到 了证 实 , 随着 我 国 , , , 技 术研 究 开 发 的 深 人 测 试 平 台的 国产 。 即 , , 仁 一 、 化 将 变 得 越 来 越 迫切 和必 要 功 能材料与器件学报 一 卷 一 , , , 脚 即 一 , 。 一 阮 , , , 。 脚 , , 。 , 一 , , , 仁了 一 , 一 一 一 , , 一 , , , 一 姗 , 一 、 , , , , , , 叭 。 一 , 卿 一 , , 加 , , , , 。 , , , , , , , , 一 , 滋 , , , , , , , 一 ,