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。

为表征材料和器件的稳定性, 对测试后阳极表面和截面进行元素分析(图5)。图5(a, e)为DC-SOFC测试后的阳极表面和截面的微观结构, 阳极电荷收集器附着在阳极表面, 阳极表面和截面微观结构呈现多孔, 没有出现积碳现象。对阳极表面和截面微观结构进行EDS-mapping分析。从图5(b, c)可以看出, 阳极表面可以检测到碳、钾元素, 但是含量不高, 说明只有部分燃料残留在阳极表面。从图5(d)可知, 银作为电荷收集器均匀地分布在阳极表面, 并且未堵住阳极表面的气孔, 可以很好地起到集流作用。从图5(f, g)可以看出, 碳、钾元素主要分布在阳极表面, 并没有出现元素大规模扩散到阳极截面的现象。