金属支撑固体氧化物燃料电池技术进展

可快速启动的金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)是助力实现“双碳”目标的变革性技术。MS-SOFC具有机械性能好、易于密封等优点,采用与陶瓷电解质热膨胀系数相近且成本低廉的铁素体不锈钢为电池提供结构支撑,有望大幅降低制造成本。金属连接体与金属支撑体是MS-SOFC的2个核心部件,常用的材料有铁素体不锈钢、Cr基合金以及Ni基合金。目前日本、德国、美国和我国均开发了面向SOFC应用的不锈钢体系,不锈钢涂层防护技术也取得了显著的进展,有效提高了材料的抗高温氧化与还原性质。为解决高温烧结制备MS-SOFC所产生的问题,主要采用热喷涂法与低温烧结法制备致密电解质。MS-SOFC使用金属支撑体与连接体,可以使用传统的焊接技术实现支撑体与连接体的有效连接,或通过粉末压制-烧结一体化多孔金属支撑体-连接体结构可以有效实现燃料侧燃料气体的密封。MS-SOFC长期运行性能衰减机理有金属材料的氧化、Cr挥发引起的阴极毒化、催化剂颗粒的粗化等。英国CeresPower公司、美国通用电气公司(GE)、德国宇航中心(DLR)、德国于利希(FZJ)研究中心、奥地利Plansee公司等均取得了一定的成就,MS-SOFC已初步实现了商业化应用。

阳极微结构对等离子喷涂金属支撑SOFC的电池性能的影响研究

阳极微结构尤其是表面结构的调控对固体氧化物燃料电池(SOFC)的极化与性能具有显著的影响。大气等离子喷涂(APS)和高温烧结是金属支撑SOFC阳极功能层最常用的两种制备方法。本文采用APS和高温烧结两种制备方法,在相同的金属支撑体上沉积阳极功能层以获得具有不同阳极/电解质界面结构的SOFC。对两种阳极功能层的组织结构、表面粗糙度、比表面积和物相构成进行了研究。结果表明,两种方法制备的阳极组织形貌差别较大,高温烧结的阳极功能层表面具有良好的平整度,而APS制备的阳极功能层呈现出典型的层状结构,表面粗糙度和比表面积较大。从断面形貌中可以看出,高温烧结阳极电池的电解质功能层厚度均一,两种电池阳极与电解质功能层之间均结合紧密。两种电池的输出性能结果表明,APS阳极电池具有较高的输出性能和较低的电极极化阻抗。

管式固体氧化物燃料电池技术进展

管式固体氧化物燃料电池(SOFC)的结构特征决定了其高温密封难度低于板式结构,特殊的管式SOFC结构设计可以完全解决高温密封难题,尤其是在一个管上进行多个单电池串联集成设计的管式SOFC结构,其一个电池管相当于一个小型电堆,具有独特的高电压小电流的输出特征,可显著降低管式电池的欧姆极化损失。管式SOFC的密封难度降低使得管式电池组堆相对容易,且电堆运行中的热应力约束较小,有助于电堆长期稳定运行。与板式电池相比,其体积功率密度和输出电流密度在同等条件下相对较低。本文综述了国内外管式SOFC的典型结构设计,通过管式SOFC的几何结构与电池支撑体的材料类型进行了分类,包括按电池支撑材料分类的阳极支撑型、阴极支撑型、陶瓷管支撑型、金属/金属陶瓷支撑型,按照管式SOFC的几何形状分类的圆管多节、扁管多节,单节圆管及单节扁管结构。同时综述了管式SOFC的常用材料及常用制备方法,最后对管式SOFC的发展进行了展望。