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3.1 发展概况

阴极支撑管式SOFC技术的主要开发商是美国西门子-西屋公司和日本东陶公司。美国的西屋公司(后来的西门子公司)最早开发了阴极支撑管式SOFC。西屋公司于1962—1963年首先在“套筒接头”电堆中进行了阴极支撑管式SOFC电池设计的实验验证,由于其稳定性差、制备工艺复杂,因此采用了钙掺杂二氧化锆的圆柱形多孔支撑管来支撑其他功能层,后来进一步改良采用多孔阴极来代替上述多孔支撑管 [8] 。1977年,电化学气相沉积技术(EVD)被发明后,西屋公司采用EVD技术开发了0.4~200kW的阴极支撑管式SOFC发电系统,但EVD工艺最大的缺点就是成本高。西门子收购西屋公司的管式SOFC技术后,经过大量的研究积累,昂贵且不利于生产的EVD工艺逐渐被大气等离子喷涂(APS)工艺取代 [9] 。采用APS工艺制备阴极支撑管式电池为基础的发电系统在宾夕法尼亚州以天然气为燃料进行了超过10000h的运行演示。

经过半个多世纪的发展,西门子-西屋公司开发了世界上第一个100kW级固体氧化物燃料电池-热电联供(SOFC-CHP)系统和第一个200kW级固体氧化物燃料电池/涡轮发电(SOFC/GT)系统,以及其独特的阴极支撑管式SOFC技术,然而高成本是其商业化的主要挑战。低成本先进材料和制造技术的应用是SOFC降低成本和提高性能的有效手段。将工作温度从900~1000℃降低到600~800℃是降低成本的一个可行方法,因为在这一温度范围内,可以采用低成本模块材料,同时提高电池的可靠性。因此,阳极支撑管式SOFC得到了快速发展和广泛的应用研究 [10] 。阳极支撑管式SOFC为采用多孔阳极管作为支撑体制备成的管式电池,由于常用的金属陶瓷阳极和电解质的化学相容性好,可在高温下共烧,因此阳极支撑管式SOFC可采用廉价的湿化学法替代EVD和APS等方法制备电解质和连接体薄膜。阳极支撑管式SOFC可通过低成本的制备方法实现电解质薄膜化,降低工作温度,不仅能降低成本、缩短制备周期、提高效率,还可实现电池在600~800℃的中低温下工作,有利于实现长期稳定运行、快速启动、延长发电系统寿命,以及使用经济高效的气体密封材料和连接体材料。中国科学院大连化学物理研究所程谟杰研究团队和韩国三星公司 [9] 等在大尺寸阳极支撑管式固体氧化物燃料电池方面开展了广泛深入的研究,并取得了重要进展。 g3a3DBqEStk7TsUy5a4oUewHjiUYNIQKKJsRGSCRZ95BxvsCvGgVYQz7nEsJFmXF

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