【摘 要】
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固体氧化物电池（SOCs）在电化学能量转换方面具有众多优势,成为高效、清洁和可持续性的代名词。由于工作温度高,电池存在退化和长期稳定性问题。开发新材料,新结构对提高SOCs在中间温度下的电化学性能和耐用性显得尤为重要。在此背景下,继续对多管电堆进行开发、仿真与测试。以解决电堆功率偏低,稳定性差,寿命短的关键问题,推进电堆的商业化发展。主要研究结果如下:通过添加绝缘陶瓷连接器,成功制造了共燃料通道微
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固体氧化物电池（SOCs）在电化学能量转换方面具有众多优势,成为高效、清洁和可持续性的代名词。由于工作温度高,电池存在退化和长期稳定性问题。开发新材料,新结构对提高SOCs在中间温度下的电化学性能和耐用性显得尤为重要。在此背景下,继续对多管电堆进行开发、仿真与测试。以解决电堆功率偏低,稳定性差,寿命短的关键问题,推进电堆的商业化发展。主要研究结果如下:通过添加绝缘陶瓷连接器,成功制造了共燃料通道微管固体氧化物燃料/电解池。上述两个电池的活性电极面积都约为10.73 cm~2。氢-蒸汽混合物在陶瓷管中充当反应物或产物。环状阳极集流体位于阳极的中间,而银浆则作为阴极集流体涂覆在阴极上。当在750℃下操作电池时,SOFC和SOEC分别在0.6 V和1.7 V下达到0.6 A cm-2和1.0A cm-2。通过使用共燃料通道,SOFC的发电量为3.9 W,而SOEC的同时功耗为18.2W。运行11 h后,未观察到微裂纹,阳极-电解质界面结构无Ni团聚或活性相损失。研究了纳米蜂窝阴极对微管状固体氧化物燃料电池（HC-MTSOFC）性能的影响。通过冷冻铸造成功制备了具有高孔隙率（≈64.6%）和较高结构强度的蜂窝多孔道阴极,该结构可以有效改善氧的吸附和解离。在阴极材料LSCF中,加入GDC纳米粉末,有效提高了氧电极的电化学活性。与传统的海绵多孔结构的GDC-LSCF阴极相比,纳米蜂窝结构GDC-LSCF阴极的电池性能显着提高。750℃时,电流密度为1450 mA cm-2,功率密度为475 mW cm-2,比传统阴极结构的电池高得多。此外,我们还讨论了蜂窝结构对电池的影响,包括作为阴极集流体的银浆会往GDC-LSCF界面迁移及改善了氧电极的活性性能。开发了一个3D多物理场耦合模型,用于计算具有外部歧管结构的微管式固体氧化物燃料电池（MTSOFC）电堆的温度和热应力分布。该电堆由10根相同的管式电池组成。模型包含电池、气体分配器、金属互连、密封陶瓷和阴极/阳极收集器。分析不同流向的流道,对电池的温度、物质分布和放电性能进行分析,以及气体分配器对电堆的受力影响。仿真结果表明,在700℃为起始温度的反应条件下,电堆的温度最高分布在氢气入口区域,进一步来说,在空气和氢气的入口区域。不同的阴极传质流向,会对电池的电流分布、温度分布和氧气分布产生明显的影响。应力主要分布在与气体分配器的接口处,那里存在高温陶瓷胶/玻璃胶和电池的热膨胀系数（CTE）失配问题。另外,连接体银块和电池自身的膨胀影响,在中间连接区域存在高达140 MPa的应力分布。仿真结果可用于优化堆的结构设计并最大限度地减少组件中的高应力集中。电流收集窗口（0.4 cm~2）,没有电解质和阴极,位于阳极的中间,并在构建短电堆时用于连接到另一个微管固体氧化物燃料电池（MTSOFC）的阴极。在使用H2和合成气的8管电池组的31个热循环中,没有观察到明显的开路电压（OCV）下降。此外,在8管、10管和20管电堆中,分别采用这种电流收集模式,可达到24.1、53.6和103.5W的放电功率水平。丙烷燃料的8管电堆与催化部分氧化（CPOX）重整器集成时,最大功率密度（MPD）为0.30 W cm-2,丙烷流速为0.32 g min-1。Pt-Ru纳米颗粒是通过氧化铝蜂窝陶瓷载体的浸渍处理而制成的。Pt基催化剂的平均尺寸约为10.0 nm,在蜂窝陶瓷通道表面分布良好。此外,Pt-Ru/Al2O3作为CPOX催化剂,在700℃时表现出高丙烷转化率（94.2%）。
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