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（118）

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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]。

DC-SOFC单电池测试: 测试前, 将0.8 g担载5% K的活性炭装入锥管状电池的阳极中, 之后塞入高温棉, 防止碳燃料移动。石英管的出口端连接带有塞子的硅胶导气管, 导气管的另外一端伸入水中, 进行液封, 保证气密性, 并排出废气, 如图2所示。DC-SOFC升温及测试过程与上述单电池在氢气条件下的测试过程一致。