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微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)由于直径可以小到1毫米或百微米级,显现出多种优势,如机械性能增强,传质传热表面增大,体积功率密度提高,升降温速率加快等,在便携电源、交通运输动力电源和不间断电源(UPS)等领域具有广阔的应用前景。本文利用相转化-纺丝技术结合烧结工艺,制备了具有独特孔结构的中空纤维陶瓷微管,以此制备出微管式固体氧化物燃料电池,并对其性能进行了系统研究。首先,以Y2O3稳定的ZrO2 (YSZ)和Sm2O3掺杂的CeO2 (SDC)为电解质材料,通过相转化法纺丝并烧结到1200~1600℃后,分别制备出YSZ和SDC中空纤维陶瓷微管,并以此制备了电解质支撑型MT-SOFC。研究发现,以纳米YSZ粉体为原料制备的电解质中空纤维陶瓷微管经过1600℃烧结后可以致密,抗弯强度最大355 MPa。以Ni/YSZ为阳极,La0.8Sr0.2MnO3-x (LSM)为阴极,以纯H2和O2分别为燃料气和氧化剂,在600℃,650℃,700℃,750℃,800℃和850℃操作时,燃料电池最大功率密度分别为13,24,35,48,61和87 mW·cm-2。以纳米SDC为原料的电解质中空纤维微管,经过1450℃烧结可以达到致密,抗弯强度超过200 MPa。使用Ni/SDC阳极和Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-x (BSCF)阴极,以纯H2和O2为燃料气和氧化剂,在550℃,600℃,650℃,700℃和750℃操作时,燃料电池最大功率密度分别为27,45,67,89和106 mW·cm-2。两种电解质微管的直径为1.1~1.4 mm,壁厚210~230μm,因管壁中存在大量的指状孔结构,制约了电解质支撑型MT-SOFC功率密度进一步提高。用改进的相转化纺丝-烧结工艺制备了多孔阳极中空纤维,经过1200~1400℃焙烧后获得NiO/YSZ阳极微管,并经H2还原得到Ni/YSZ金属陶瓷微管。在NiO/YSZ微管上,用浸渍-烧结法制备了一层致密YSZ电解质膜,然后在此阳极/电解质半电池上涂敷一层多孔La0.8Sr0.2MnO3-x (LSM)的阴极层,制备了阳极支撑型的MT-SOFC。研究表明,用改进的相转化纺丝-烧结工艺可以获得不对称孔结构的阳极微管,管壁内侧主要分布细长的指状孔层,而管壁的外侧主要分布着海绵状孔,微管表面则形成相对致密的表皮层。1400℃烧结的微管还原前后的孔隙率分别为21%和37%,还原前后抗弯强度分别为354MPa和178 MPa,常温至1400℃烧结直径收缩达到38%,1400℃烧结并还原的Ni/YSZ微管的电导率772S·cm-1。电解质浸渍液用EtOH/MEK溶剂体系,2%的PVB做粘结剂,5-6%的TEA做表面活性剂, YSZ含量为15%,在经过48h的球磨后,可以形成均匀稳定的悬浮浸渍液,经过2次浸渍可以制备成10μm的电解质膜。以LSM作为阴极材料,用EtOH/MEK溶剂体系配制的阴极浸渍液,浸渍一次并烧结至1200℃,形成20μm厚的阴极膜层。单电池的性能测试表明,对于该阳极支撑型MT-SOFC,以纯H2和O2做燃料气和氧化剂,工作温度为800℃时,最大功率密度为960 mW·cm-2,若以湿H2和空气作为燃料气和氧化剂,工作温度为800℃时,最大功率密度为820 mW·cm-2,以湿甲烷和空气为燃料气和氧化剂,工作温度为800℃时,最大功率密度为480 mW·cm-2,但容易积碳。用相转化纺丝法结合烧结工艺制备中空纤维陶瓷的技术,为微管式固体氧化物燃料电池提供了一种简易,廉价,结构理想的制备方法。其中,电解质中空纤维支撑的燃料电池强度高,但是功率密度低;以阳极中空纤维上浸渍烧结形成致密的电解质膜和多孔的阴极膜,制备成多孔阳极支撑的高功率密度的单电池,其机械强度有所损失。