叶梓滨, 邹高昌, 吴琪雯, 颜晓敏, 周明扬, 刘江

无机材料学报 2024, 39 (7): 819-827. DOI:10.15541/jim20230597

摘要（140）

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针对阳极支撑型直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的浓差极化阻抗大的问题, 本研究采用改进后的凝胶注模法制备了阳极支撑型锥管状固体氧化物燃料电池(SOFC)。通过适当增加溶剂的含量, 改善了浆料的流动性, 提高了成品的质量; 通过增大造孔剂的含量, 提高了阳极的孔隙率, 减小了气体的扩散阻力。改进后的SOFC以氢气为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.05 V, 电化学阻抗谱的极化阻抗更小, 电池的最大功率密度为0.67 W•cm^-2(阴极有效面积为2.2 cm²), 明显优于改进前的SOFC。改进后的SOFC直接采用担载质量分数5% K的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.030 V, 接近理论电压, 最大功率密度达0.74 W•cm^-2, 以400 mA进行恒流放电, 碳燃料的有效利用率为31%, 高于改进前电池的碳燃料的有效利用率17%。将改进后的4个锥管状单电池串联成电池组, 直接采用担载质量分数5% K催化剂的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 最大功率达8.0 W, 高于改进前的4节DC-SOFC电池组(4.1 W), 该电池组碳燃料的有效利用率为15%, 峰值功率密度可达0.91 W•cm^-2, 超过了文献报道的最高值。

电池组的组装: 在串联前, 按上述方法, 在各节单电池的阴、阳极表面制备电荷收集器。采用银导电胶作为封接剂和连接材料, 将一个一端封闭的电池与几个两端敞开的电池相互串联, 形成电池组。图1(c)为四节电池组, 第一节电池的顶端封闭, 第二、三、四节电池的两端均敞开, 各节电池的阴极有效面积均为2.2 cm2, 电池组的总面积为8.8 cm2。利用银导电胶将电池组固定在尺寸相当的石英管中, 银线作为导线, 将第一节电池的阴极和第四节电池的阳极引出, 如图2所示。单电池在氢气条件下的测试过程见文献[34]。

改进方法所用成分的含量如表1所示。与前期工作[34]相比, 提高凝胶注模成型浆料中溶剂含量、降低浆料黏度, 使浆料均匀流动到模具中, 可以避免成品表面出现缺陷。AM单体的占比从原来的7.9%降低到7.1%, 可以避免阳极支撑体在有机物进行升温排胶过程中出现缺陷。溶剂的占比从原来的20.7%上升到26%, 使浆料体积空间增大。为增强三维网状结构, 保证MBAM交联剂与AM单体发生原位固化反应, 将交联剂MBAM占比提升至0.9%[36]。柠檬酸铵作为一种良好的分散剂, 可以使浆料中的颗粒带电, 形成比较稳定的浆料体系, 但在加热固化过程中, 会放出氨气, 因此降低其占比至1.3%。选用12 μm的石墨作为造孔剂, 并且提高其占比至13.2%, 以增强气体在阳极支撑体中的扩散性。在采用凝胶注模工艺制备阳极支撑体的过程中, 需要加热以提高固化反应速率。但由于坯体的各个部分所处的位置不同, 在加热过程中存在温度梯度, 导致不同位置的固化时间存在差异, 使坯体内形成内应力[38]。此外, 坯体在干燥和脱模时会出现一定变形, 干燥后的坯体存在残余内应力。在排胶过程中, 高分子有机物网络软化后释放出残余内应力, 过大的内应力导致坯体出现裂痕。内应力的大小与坯体的强度相关, 在塑料工业中一些高分子聚合材料也存在柔韧性较差的现象, 通常会添加短链的增塑剂来降低高分子之间的作用力, 提高材料的柔韧性[39]。聚乙二醇作为增塑剂可以提高坯体的柔韧性, 减小内应力[40], 从而保证坯体在排胶过程中的完整性, 它在浆料中也能起到一定的分散作用。TEA的主要作用是分散浆料中的颗粒, 但是过多的TEA与聚乙二醇会导致有机分子链相互缠绕, 增大浆料黏度[41]。PEG-600的分子链更短, 为提高浆料的流动性, 选用PEG-600为增塑剂, 并将其占比降低至7.3%。