中溫平板式SOFC合金連接體的制備及其性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)具有能源轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色能源。近年來(lái)，隨著新型的電極和電解質(zhì)材料的不斷開(kāi)發(fā)，陽(yáng)極支撐型平板式SOFC的出現(xiàn)，SOFC的工作溫度逐漸降低，使得采用廉價(jià)的合金材料作為其連接體材料成為可能。但在SOFC高的工作溫度下，合金材料作為其連接體材料在合材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面還存在著一系列問(wèn)題。本論文工作主要是通過(guò)開(kāi)展合金連接體材料和結(jié)構(gòu)方面的系統(tǒng)研究，深入地理解了合金連接體的工作特性，

2、為今后組裝SOFC電堆打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　研究了SUS430合金作為SOFC連接體材料的基礎(chǔ)性能，以La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM20)陰極為例，深入地研究了SUS430合金中Cr對(duì)陰極的毒化作用機(jī)理，明確了Cr對(duì)陰極毒化程度的決定因素。結(jié)果表明，SUS430合金的熱膨脹系數(shù)(TEC)與其它電池組件，尤其是陽(yáng)極基體非常接近；在SOFC工作條件下，盡管合金的氧化增重速率較慢，但其面電阻增長(zhǎng)較快，超出了SOFC對(duì)連接體的

3、阻值要求。Cr對(duì)LSM20陰極的毒化作用主要是抑制電極表面氧還原反應(yīng)（ORR）過(guò)程，在陰極極化初期，氣態(tài)鉻的氧化物抑制了氧在LSM20電極表面的解離吸附和氣體擴(kuò)散過(guò)程；隨著極化時(shí)間的延長(zhǎng)，固態(tài)鉻的氧化物，如Cr2O3/(Cr,Mn)3O4相的逐漸生成，增大了氧離子遷移和擴(kuò)散阻抗。Cr對(duì)陰極的毒化程度受陰極的工作氣氛、電極結(jié)構(gòu)和材料的影響，可以通過(guò)降低陰極工作氣氛中的氧氣和水蒸氣分壓，選擇具有更多氧空位的陰極材料以及合理地優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu)得以

4、改善和抑制。SUS430合金與Ni-YSZ陽(yáng)極具有良好的化學(xué)相容性。
　　提出了以改進(jìn)的等離子噴涂方法制備的La0.8Sr0.2FeO3-δ(LSF20)作為合金連接體陰極側(cè)保護(hù)層，以金屬Ni作為陽(yáng)極側(cè)保護(hù)層。通過(guò)對(duì)多種陶瓷材料的電導(dǎo)率和TEC的比較和分析，選擇了LSM20和LSF20作為合金連接體的陰極側(cè)保護(hù)層材料，采用大氣等離子噴涂方法制備了合金連接體陰極側(cè)保護(hù)涂層，并適應(yīng)SOFC工作環(huán)境特點(diǎn)，改進(jìn)了等離子噴涂的后封孔工藝，提

5、出了以LSM20和LSF20的硝酸鹽溶液浸漬、原位燒結(jié)的方法對(duì)等離子噴涂涂層進(jìn)行后封孔處理，取得了較好效果，涂層顯氣孔率低于1％。性能測(cè)試結(jié)果表明，LSF20涂層在抗高溫氧化、抑制合金中Cr的揮發(fā)和擴(kuò)散等方面都明顯優(yōu)于LSM20涂層，其在800℃空氣中氧化1000h，面電阻僅為1m??cm2，比目前國(guó)際上報(bào)道的合金連接體陰極側(cè)保護(hù)涂層面電阻的最低值（2m??cm2）低1倍。連接體陽(yáng)極側(cè)分別采用等離子噴涂方法和電化學(xué)沉積方法制備了金屬Ni

6、保護(hù)層，等離子噴涂Ni層與合金連接體具有更好的結(jié)合強(qiáng)度，在SOFC陽(yáng)極工作氣氛下的面電阻較低。
　　設(shè)計(jì)了連接體與電極之間的匯流結(jié)構(gòu)。通過(guò)電極的極化曲線、電化學(xué)阻抗和面電阻等方面的測(cè)試與分析，明確了匯流層的作用和結(jié)構(gòu)要求，電極接觸層不僅可以降低電池的歐姆電阻，而且能夠有效地提高電極表面ORR催化活性；電極支撐層只在電極和連接體之間起傳導(dǎo)電子的作用，不影響電極表面ORR過(guò)程。本文提出了以固相反應(yīng)法制備的La0.6Sr0.4CoO3-

7、δ(LSC)和Ag漿作為陰極接觸層，以粒徑為0.68μm的NiO和Ag漿作為陽(yáng)極接觸層，并通過(guò)在接觸層表面用嵌入銀漿的銀絲固定支撐層來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐層與接觸層的良好電連接，連接體與電極之間的接觸電阻降低了50%以上，接近目前國(guó)際報(bào)道最好水平。
　　建立了SOFC有限體積量化分析模型。該模型基于電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，并結(jié)合現(xiàn)象學(xué)原理，采用“比例因子”的思想，將結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為比例因子的選取問(wèn)題。比例因子以小步長(zhǎng)改變，通過(guò)計(jì)算電池極化過(guò)