大面积平板式SOFC单电池测试及性能研究

论文摘要

本论文通过流延、丝网印刷以及单步共烧结工艺成功制备了尺寸从5×5 cm~2到15×15 cm~2的平板式阳极支撑固体氧化物燃料电池。采用扫描电镜观察了电池截面微观形貌,X射线衍射技术分析了电池阳极在测试前后的相转变,并对单电池进行了一系列电性能相关测试。测试结果显示10×10 cm~2 (有效反应面积9×9 cm~2)的单电池在750°C的运行条件下其开路电压达1.15 V,在电流密度为950 mA/cm~2时其功率密度达770 mW/cm~2,在220 h的衰减测试时间里,电池的衰减速率为1.56%/1000 h,并能承受5次热循环。当外重整甲烷气作为燃料气体时,相对于纯氢气,单电池性能衰减低于5%。测试结果表明该方法制备的大面积单电池具有高性能、长寿命和耐热循环的显著优点,将为电堆组装奠定可靠的基础。本论文分析了在测试过程中组装工艺对单电池性能的影响,其中接触电阻以及密封方式是最重要的两个因素,并依次优化了组装单电池的工艺,其中,电池阴极侧采用LCN作为接触材料而阳极侧采用Ni浆。为了解决SOFC单电池由于面积过大而导致的单电池上气体分配不均匀及各区域温度差异,本文通过实验测试了单电池各个区域的性能,包括局部电性能和局部温度。在10×10 cm~2(有效反应面积9×9 cm~2)的阳极支撑SOFC单电池上,电池的阴极以及空气气体分配板和集流器都被分成电绝缘的9个分块单元。每个分块单元的面积是2.8×2.8 cm~2,均布置有独立的电流电压监测及温度监测系统。同时,利用计算流体力学模拟计算阴极侧的气体流场分布,并将计算的结果与实验测量结果进行了比较。模拟计算和实验测量的结果均显示大面积单电池存在局部的气体分布不均匀及其导致的性能不均匀,这为大面积SOFC电池的性能优化及电堆模块的设计提供了依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 SOFC 工作原理
• 1.3 SOFC 关键材料研究现状
• 1.4 SOFC 研究进展
• 1.5 选题目的和意义
• 2 实验方法和实验过程
• 2.1 单电池制备
• 2.2 SOFC 单电池性能测试
• 2.3 单电池局部性能测试
• 2.4 SOFC 阴极气体分布的数值模拟
• 3 单电池整体性能分析与讨论
• 3.1 电池尺寸及微观结构
• 3.2 尺寸对电池性能的影响
• 3.3 工作条件对电池性能的影响
• 3.4 单电池装配工艺优化
• 3.5 本章小结
• 4 SOFC 单电池局部性能分析与讨论
• 4.1 模拟计算结果分析与讨论
• 4.2 实验测量数据
• 4.3 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 主要结论
• 5.2 论文创新之处
• 5.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献