堿性鋁燃料電池和固體氧化物燃料電池相關關鍵材料制備與評價表征.pdf

1、在傳統(tǒng)能源供應日趨緊張，生態(tài)環(huán)境日益惡化的情況下，新型環(huán)保、安全、高效的燃料電池越來越廣泛地受到人們的青睞與關注。但迄今為止，燃料電池在走向?qū)嶋H應用的道路上仍面臨著技術(shù)及成本等眾多不容忽視的問題，嚴重制約著燃料電池產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。在燃料電池開發(fā)過程中，新型電池材料及其制備技術(shù)的開發(fā)與應用，直接影響著燃料電池運行的效率及成本，是發(fā)展燃料電池技術(shù)的核心和基礎。本論文以新型燃料電池——堿性鋁燃料電池和固體氧化物燃料電池為研究背景，重點開展了

2、有關堿性鋁燃料電池電解液緩蝕劑、堿性鋁燃料電池鋁合金陽極以及固體氧化物燃料電池合金連接體保護涂層制備和表征的相關研究，目的在于通過開發(fā)新型電池材料及其制備技術(shù)，進一步提高電池效率，降低電池成本，推進燃料電池技術(shù)的進步。
　　在緩蝕劑研究方面，系統(tǒng)研究了氫氧化銦、錫酸鈉、檸檬酸鈉以及間苯二酚對鋁合金陽極在85℃，5mol·L-1NaOH電解液中以800mA·cm-2的大電流密度放電時腐蝕行為以及電化學行為的影響，并在此基礎上合成了能

3、同時發(fā)揮各組分特長，綜合應用性能優(yōu)良的MCI(modified compound inhibitor)復合緩蝕劑。在鋁合金陽極研究方面，以添加適量MCI改性復合緩蝕劑的5mol·L-1NaOH溶液為電解液，系統(tǒng)研究了合金元素、固溶熱處理制度以及熱軋工藝對鋁合金陽極在85℃，含MCI的5mol·L-1NaOH電解液中以800mA·cm-2的大電流密度放電時的耐腐蝕性能以及電化學性能的影響，并系統(tǒng)分析了合金元素以及熱處理軋制工藝在鋁合金陽極

4、組織以及性能變化過程中的作用機制。在合金連接體保護涂層研究方面，分別采用溶膠-凝膠(sol-gel)和電泳沉積(EPD)方法在Crofer22 APU合金連接體表面制備了Cu-Mn(Cu1.2Mn1.8O4)以及Mn-Co(Mn1.5Co1.5O4)尖晶石保護涂層，系統(tǒng)研究了沉積工藝以及燒結(jié)制度對涂層保護Crofer22APU合金在800℃高溫氧化120h前后組織結(jié)構(gòu)的影響，同時對涂層保護合金連接體在高溫長時間氧化過程中的氧化動力學行為

5、及導電性能進行了評估。通過以上研究，獲得了以下重要結(jié)論:
　　1.某單位堿性鋁燃料電池所用特種鋁合金陽極材料在85℃、5mol·L-1NaOH電解液中以800mA·cm-2的大電流密度放電時電極電位較負，電化學活性較好，但其在高溫強堿性電解液中的耐蝕性能較差，析氫腐蝕速率高達0.906 mL·min-1·cm-2，因而在高溫強堿性電解液中使用時需要添加相應的電解液緩蝕劑;
　　2.對單一緩蝕劑的研究表明，In(OH)3是綜合

6、性能較好的單組份緩蝕劑，當其濃度為4mmol·L-1時，鋁合金陽極材料的析氫速率為0.295mL·min-1·cm-2，電極電位為-1.597V。Na2SnO3是對鋁合金陽極具有最好抑氫作用的單組份緩蝕劑，緩蝕劑緩蝕效率高達81.29％，但Na2SnO3的加入會對鋁合金陽極電化學活性的發(fā)揮產(chǎn)生較大影響。檸檬酸鈉是對鋁合金陽極電化學活性影響最小的單組份緩蝕劑，而與檸檬酸鈉正好相反，間苯二酚是對鋁合金陽極電化學活性影響最大的單組份緩蝕劑;<

7、br>　　3.所研發(fā)的改性復合緩蝕劑MCI有力發(fā)揮了無機有機緩蝕劑之間的協(xié)同緩蝕效應，當在電解液中加入適量的MCI后，鋁合金陽極析氫速率僅為0.134mL·min-1·cm-2，緩蝕劑緩蝕效率高達86.65％，而此時鋁合金陽極的電極電位仍然較負，為-1.589V，說明MCI在保證鋁陽極良好耐蝕性能的同時，又能使鋁陽極具有較好的電化學活性。同時所開發(fā)的MCI改性復合緩蝕劑同各單組份緩蝕劑都是通過抑制陽極反應來減緩析氫腐蝕速率，同屬于陽極抑

8、制型緩蝕劑;
　　4.對堿性鋁燃料電池新型鋁合金陽極材料的開發(fā)研究表明，適當含量的高析氫過電位元素Sn和In在合金中的加入既可以提高鋁陽極材料的耐腐蝕性能，又可以分別通過降低陽極氧化膜離子阻力和在基體中形成低共熔體合金來減小陽極極化，提高材料電化學活性。元素Ga雖然也可以在一定程度上提高鋁陽極電化學活性，但含量較高時，鋁陽極析氫腐蝕嚴重，耐蝕性能較差?；旌舷⊥猎刂饕ㄟ^提高合金組織均勻性，減小活性偏析相聚集來同時提高鋁陽極耐腐蝕

9、性能和電化學活性;
　　5.固溶熱處理制度對新型鋁合金陽極材料耐腐蝕性能和電化學性能的影響主要是通過提高合金元素固溶度，減少活性元素偏析團聚來實現(xiàn)的，軋制工藝對鋁合金陽極材料耐腐蝕性能和電化學性能的影響主要是通過動態(tài)再結(jié)晶來實現(xiàn)的。研究表明，當對540℃下固溶處理5h后的新型鋁合金材料在420℃，以40％的道次變形量進行軋制時，合金組織中動態(tài)再結(jié)晶過程得以進行，基體中活性元素大量固溶且分布均勻，偏析相團聚現(xiàn)象減少，此時，鋁合金陽極

10、材料不僅具有最小的析氫腐蝕速率（0.089mL·min-1·cm-2），而且具有最負的電極電位(-1.630V)，材料耐腐蝕性能和電化學活性最好;
　　6.通過電泳沉積(EPD)方法在合金連接體表面制備Mn-Co尖晶石保護涂層是提高合金連接體材料綜合應用性能的有效表面改性方法。所制備的Mn1.5Co1.5O4尖晶石保護涂層，不僅可以有效提高合金連接體材料在高溫長時間氧化過程中的抗氧化性能，減緩Cr2O3氧化層厚度的進一步增長，同時

11、還能有效阻止元素Cr在涂層中的揮發(fā)與擴散，從而減少陰極材料“鉻中毒”現(xiàn)象的發(fā)生;
　　7.通過合適燒結(jié)工藝（1100℃氬氣氣氛燒結(jié)）既可以保證燒結(jié)過程中在涂層(2.3μm)和基體間所形成的Cr2O3氧化層厚度較薄，Crofer22 APU合金連接體高溫氧化過程中的穩(wěn)定ASR值（13.1mΩ·cm2）較小，同時可以保證所制備的Mn-Co尖晶石保護涂層結(jié)構(gòu)致密，合金連接體在高溫長時間氧化過程中氧化速率（6.31×10-15g2·cm-