金属支撑固体氧化物燃料电池共烧结特性研究

刘琨1, 李成龙1, 张蕾2, 陈曦1, 郭小满3, 何文斌1, 都金光1, 明五一1, 王玉4 (1.郑州轻工业大学　机电工程学院；2.太原科技大学　材料科学与工程学院；3.多伦多大学　机械工业工程学院；4.西安交通大学　材料科学与工程学院)

摘要：在考虑电池整体热膨胀及陶瓷蠕变的情况下分析电极层和电解质层的烧结机制，阐明金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC) 在不同烧结温度及晶粒尺寸下电极和电解质层微观结构的演变、残余应力的分布及变化规律。通过建立Skorohod-Olevsky Viscous Sintering (SOVS) 模型，模拟在不同烧结温度和不同晶粒尺寸下，MS-SOFC 的各层和各界面的相对密度、应力的分布和演化，并通过高温烧结实验揭示异种晶粒尺寸结构烧结后微观结构形貌的变化。结果表明，电解质和电极的相对密度、各层的残余应力值和突变幅度受到烧结温度的影响。当燃料电池各层材料初始晶粒尺寸较小时，烧结导致的致密化率非常明显，随着晶粒尺寸逐渐增大，其致密化率相对较小，且电池各层的残余应力值和突变幅度逐渐减小。纳米氧化钇稳定氧化锆(YSZ) 电解质层更容易烧结，且比亚微米YSZ 电解质层烧结后微观缺陷降低更多。MS-SOFC 烧结后，阴极和阳极的径向应力为拉伸应力，电解质的径向应力为压缩应力。轴向应力和剪切应力在拉压应力之间周期性变化。拥有微米晶的电极层能够在烧结后保持较大的孔隙率，而拥有纳米晶的电解质在提高电导率的同时还能够降低其致密化烧结温度。当晶体尺寸为纳米级时，残余应力值和分布对烧结温度很敏感。

关键词：MS-SOFC；共烧结；残余应力；烧结温度；晶粒尺寸