固體氧化物燃料電池金屬連接體材料表面改性與新合金研制.pdf

1、連接體是平板式固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell,SOFC）電堆的關(guān)鍵部件之一，其作用是分隔燃料和氧化氣體、提供電池之間的電連接以及分配反應(yīng)氣體至相應(yīng)電極。隨著SOFC的工作溫度從1000℃降低至中溫范圍（600℃～800℃），金屬取代陶瓷作為連接體材料已經(jīng)成為可能，形成Cr2O3氧化層的鐵素體不銹鋼（Fe-Cr合金）成為最具有潛力的金屬連接體材料。然而，在中溫SOFC長期運行的過程中，合金抗氧化能力不足、高

2、面比電阻以及合金中Cr揮發(fā)毒化陰極等問題限制了常規(guī)Fe-Cr合金在SOFC中的直接應(yīng)用。
　　為了克服上述Fe-Cr合金作為SOFC金屬連接體存在的問題，本文開展了三個方面的研究工作。第一、研究了不含Cr的NiMn2O4和CuFe2O4尖晶石涂層對于常用金屬連接體材料Fe-Cr合金在中溫SOFC陰極氣氛下氧化行為和導(dǎo)電性能的影響，并探索了電流對涂層合金氧化的作用和氧化物層與金屬基體界面的力學(xué)行為。第二、開發(fā)了新型金屬連接體材料Fe

3、-Cr-Co合金，對比研究了其與商用合金Crofer22H在陰極氣氛中的氧化行為和Cr揮發(fā)。第三、進一步研究了Ni-Mo-Cr金屬連接體合金與接觸材料LaCo0.6Ni0.4O3-δ(LCN)的化學(xué)兼容性、電連接性能以及其對陰極的毒化。通過本論文研究，獲得如下主要結(jié)果和結(jié)論：
　　(1)不含Cr的NiMn2O4尖晶石涂層能夠有效地增強SUS430合金的氧化抗力和氧化層的導(dǎo)電性。在750℃陰極氣氛中循環(huán)氧化1000h后，涂層合金表面

4、僅形成3～4μm厚的多層氧化物，最內(nèi)層為摻雜的Cr2O3，最外層為摻雜的NiMn2O4和Mn2O3。涂層有效抑制了Cr2O3氧化層的生長和MnCr2O4相的形成。涂層合金的氧化行為遵循拋物線規(guī)律，速率常數(shù)為4.59×10-15g2cm-4s-1，氧化層在600℃～800℃范圍內(nèi)的面比電阻為6～17mΩcm2。
　　(2)CuFe2O4尖晶石涂層能有效地抑制Cr2O3層的生長，降低氧化層的面比電阻(area specific res

5、istance,ASR)，但并不能完全阻止Mn和Cr離子向外擴散。在800℃的陰極氣氛中和0.5Acm-2電流作用下等溫氧化200h，具有CuFe2O4尖晶石涂層的Fe-16Cr合金氧化層僅增厚0.5μm，形成內(nèi)層為Cr2O3、中間層為Cu摻雜的MnCr2O4、外層為Fe2O3的氧化層。與沒有涂層的Fe-16Cr合金相比，涂層合金氧化層在800℃的ASR值僅為其七分之一。相對高的氧化層導(dǎo)電率使得合金基體中陽離子向氧化層的遷移主要受化學(xué)勢

6、梯度而不是電勢的影響。
　　(3)設(shè)計了一種變截面的拉伸試樣，通過其恒截面區(qū)域中的均勻應(yīng)力分布和變截面區(qū)域中的梯度應(yīng)力分布來評估氧化層物涂層與金屬基體之間界面的結(jié)合力。結(jié)果表明，具有NiMn2O4涂層的SS430合金的界面最大切應(yīng)力為228.02MPa。在750℃1000h的長期氧化過程中，界面剪切力呈先升高再減小的趨勢。
　　(4)自主研制的Fe-Cr-Co合金在中溫段的CTE與相鄰部件相匹配，適合于作為SOFC的金屬連接

7、體材料。在750℃陰極氣氛中循環(huán)氧化1000h后，合金表面生成雙層結(jié)構(gòu)的氧化層：底層為Cr2O3，表層為Mn1.5Cr1.5O4。合金具有優(yōu)異的抗氧化性能，其拋物線氧化速率僅為1.42×10-15g2cm-4s-1。氧化層在750℃的ASR為14mΩcm2；外推至40000h氧化后，ASR仍然小于100mΩcm2。與Crofer22H合金相比，F(xiàn)e-Cr-Co合金對于La0.72Sr0.18MnO3(LSM)陰極的Cr毒化非常微弱。