固体氧化物燃料电池.doc

新型固体氧化物燃料电池工艺可行性分析报告（姜建国）燃料电池在理论上的研究已经进入了相对成熟的阶段。然而其关键部件的材料制备是制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。确切的讲是当前使用的陶瓷烧结工艺限制了固体氧化物燃料电池的发展。单就烧结工艺上讲，我们可以简单的把工艺分为整体烧结和局部烧结。整体烧结包括各种窑式和微波烧结；局部烧结又包括间接局部烧结和直接局部烧结。间接局部烧结有电化学气相沉积(EVD)、物理气相沉积(PVD)、化学气 相沉积(CVD)、等离子喷涂、真空溅射等；直接局部烧结有微弧氧化和.。在电极上整体烧结，由于粉体制备繁琐、制膜困难、温度不够、能耗太高、时间太长、烧结变形、微观结构不理想（电极要求开口多孔结构），金属连接器不能同时烧结，等诸多原因，被认为不适合作为电池的制造工艺。在电解质上整体烧结，国外一些机构，采用纳米粉末和掺杂其他元素的方法，希望在降低烧结温度的情况下，烧结出致密的电解质膜。这样，不但增加了成本，而且由于非必要物质的掺杂，使内阻增大，效果并不理想。间接局部烧结虽然解决了部分困难，但是微观结构依然不理想。比如，电极的多孔要求和电解质的致密要求都不可能充分体现。而且由于受温度和时间限制，陶瓷内部不都是立方相，造成离子电导与电子电导共存，内阻很大。同时由于沉积是在物体表面堆积而成，它的接触电阻和结合强度都受到质疑。通过以上分析，我们得出一个结论，必须找到一种或数种方法，既可以实现高温烧结，（温度控制在使陶瓷熔化和汽化之间）又可以任意调整陶瓷的空隙率和致密度的烧结工艺，才能解决目前的瓶颈问题。 首先，我们知道阳极陶瓷为了实现催化、传导、反应等功能，要求在陶瓷内部呈现三态界面，而三态界面必须要求有大量的开口微孔。能够解决问题的方法之一有微弧氧化工艺。选用合适的弱酸盐溶液，配合特定的频率、电流、电压、波形、占空比，可以制造出均匀的微孔陶瓷。微弧氧化是国际上刚刚兴起的新的陶瓷烧结工艺。它的特点是可以在金属表面（可以生成氧化物陶瓷的金属），直接把金属变成氧化物陶瓷。其原理是：在不断增加的脉冲电压作用下，金属表面的氧化物被电场击穿，形成瞬间的放电电弧。在电弧内部，由于有大量的氧离子存在，金属被迅速氧化，释放出大量的热能。这个热能和电能加在一起，产生高温高压的作用，形成爆炸型烧结。金属在微小的区域内，首先被氧化，然后被熔化。之后，由于电能消失，被熔化的金属氧化物迅速冷却，凝结为陶瓷。这就形成了一个陶瓷烧结循环。周而复始，这个过程不断重复，陶瓷膜越集越厚，最终形成不改变原金属精度和尺寸的氧化物陶瓷层。这个工艺不仅在理论上被证明是正确的，而且在实践中我们也已经应用到工业生产的过程之中。例如天津泵业集团生产的三螺杆泵衬套，原先使用金属加工成型。但始终不能解决磨损问题。为了满足用户对寿命的需求，泵厂向我们提出制造陶瓷泵的问题。但是由于该泵的精度要求极高，根本不可能在陶瓷烧结后加工成型。为此我们协商使用微弧氧化新技术，在该公司领导的支持下，我们试制了8台衬套。不仅在精度尺寸上满足了加工要求，而且在台架试验中以超过原寿命5倍且无可测量到的磨损的优异成绩完成了试制任务。 具体到固体氧化物燃料电池项目上，我们可以制作以金属网支撑的电池模块。在500目不锈钢网上经过清洗、活化，电镀一层镍、钴、铈、钐合金（也可以使用其他配方的电极，但是稀土氧化物电极必须采用诱导电镀）。然后，清洗后放入电解液中微弧氧化，制造出特殊结构的氧化物陶瓷电极。SEM micrographs of the oxide films in different solutions:(a) cross-section in NaOH; (b) surface in NaOH;(c) cross-section in Na SiO ; (d) surface in Na SiO ;(e) cross-section in Na PO ; (f) surface in Na PO三种不同溶液氧化的陶瓷截面图和平面图在实践中我们可以选用不同的配方，以满足电池不同部位的要求。在电极层，我们认为，磷酸钠溶液氧化的陶瓷