固体氧化物燃料电池(SOFC)合金连接体耐高温氧化导电防护涂层

降低固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度,可使用高电导、高热导、高强度的合金作为连接体。其中含Cr的铁素体不锈钢合金,具有与SOFC其他部件材料匹配的热膨胀系数,此外还有易于加工及成本低廉等优点,成为中低温板式SOFC连接体材料应用与研究的重点。但这类合金表面高温氧化所带来的界面电阻变化,及Cr挥发进而在阴极沉积所带来的诸多问题,成为影响板式SOFC长期稳定的关键因素,因此必须进行有效的表面处理。从SOFC合金连接体引起的电堆性能衰减机理出发,阐明了降低或防止阴极Cr中毒的几类方法,论述了合金连接体涂层的必要性。结合笔者开发设计的尖晶石粉末还原法在合金连接体表面制备纳米微结构Mn_(0.9)Y_(0.1)Co_2O_4(MYC)防护涂层方面的工作,综述了国内外SOFC合金连接体涂层材料及涂层制备方法的研究进展。对各类涂层材料及涂层制备方法优缺点进行比较的同时,重点介绍了电导率高、实用性较强的钙钛矿结构及尖晶石结构涂层材料。最后展望了合金连接体涂层的发展前景。     

热喷涂制备固体氧化物燃料电池电解质层的研究进展

分析了固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展趋势以及电解质的制备和特性对SOFC的工作温度及导电性的影响,并对SOFC电解质材料的研究现状进行了详细阐述。介绍了热喷涂技术在SOFC电解质材料制备中的技术优势,综述了热喷涂技术在SOFC电解质层材料制备中的应用,并对其进行了总结和展望。通过分析相关研究成果,认为降低工作温度必然成为未来SOFC研究的主要方向之一,而开发更多在中、低温下具有高电导率的电解质材料是未来研究工作的关键。应用最广泛的高温SOFC电解质材料是萤石结构的氧化钇稳定氧化锆,而钙钛矿结构的掺杂镁和锶的镓酸镧是最有前景的中、低温SOFC电解质材料。热喷涂技术具有基体材料不受限制、沉积速度快、灵活、成本低等一系列优点,在SOFC电解质涂层的制备中得到了广泛应用。对于高温SOFC电解质涂层可采用等离子喷涂辅助后处理工艺或直接优化其工艺,从而获得高致密、高电导率的电解质涂层,而中、低温电解质层的热喷涂制备方面的研究还有较大的拓展空间。     

固体氧化物燃料电池金属连接体防护涂层研究进展

铁素体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性、高电导率、高热导率等诸多优异性能,是常用的中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）用连接体材料,但是含Cr不锈钢在600～800℃的SOFC工作温度下存在高温氧化带来的界面电阻增大、Cr元素毒化阴极等问题。从连接体材料、防护涂层种类及其制备方法出发,简述了金属连接体材料的选择和Cr毒化阴极机理,重点阐述了活性元素氧化物涂层、稀土钙钛矿涂层以及尖晶石涂层对连接体的保护作用和近些年新的研究进展,并归纳了SOFC金属连接体表面涂层常用的制备方法和特点。介绍了稀土元素氧化物涂层对合金氧化膜的影响机制和应用局限性。总结了La_1–xSr_xCrO₃、La_1–xSr_xCoO₃、La_1–xSr_xMnO₃等常用钙钛矿涂层的优势和不足,并分析了掺杂对钙钛矿涂层性能的影响。重点综述了过渡金属元素掺杂、稀土元素掺杂对Mn-Co、Cu-Mn尖晶石涂层电导率、热膨胀系数匹配性、涂层结合情况等...     

等离子喷涂制备固体氧化物燃料电池电解质涂层研究进展EI北大核心CSCD

等离子喷涂作为一种高性价比的涂层沉积工艺,在固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质制备方面比传统方式更灵活、高效,尤其在大面积电解质快速成形上,表现出良好的发展潜力。介绍SOFC的工作原理和研究趋势,综述电解质材料及等离子喷涂制备工艺的研究进展,指明等离子喷涂制备SOFC电解质涂层的发展方向。研究表明:氧化钇、氧化钪稳定的氧化锆是目前商业化应用最广泛的电解质材料,其他如氧化铈基及氧化铋基电解质还须解决还原气氛下价态变化问题,而镧锶镓镁氧化物和硅酸盐电解质则需解决成分和结构稳定性问题。在制备方面,传统湿化学法的高温烧结过程难以制备金属支撑型SOFC,磁控溅射和气相沉积等镀膜技术成本高、效率低,不适合电解质大规模生产。而等离子喷涂技术具有沉积效率高,对基体热输入小,可灵活调控涂层微观结构等优势。等离子喷涂SOFC电解质还存在较大探索空间,基于前期相关工作为后续中低温电解质制备及优化提供思路,随着电解质粉末成本下降及喷涂设备迭代升级,等离子喷涂技术有望在未来成为大规模高效制备SOFC电解质涂层的重要手段。     

涂层材料在固体氧化物电池金属连接体上的应用

系统地论述了应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体的各种涂层材料,总结了涂层在应用过程中存在的问题,并提出了建议.     

轧膜成型法制备SOFC支撑电极工艺研究

结合生产实际介绍了轧膜成型工艺制备电极支撑固体氧化物燃料电池中支撑电极的工艺过程.用此方法制备了厚度为0.8 min的NiO/YSZ阳极坯片和LSM/YSZ阴极坯片,对所得坯片进行预烧结处理,然后在其上面成型电解质薄层.添加20%(质量分数,下同)起孔剂时电极与YSZ电解质的线性收缩率最接近,共烧结容易得到平整的电极支撑半电池.复合阴极的电导性能随孔隙率的增加而下降.使用该方法制各的电极材料从微观结构、机械性能和电性能上都满足SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)对电极材料的要求.     

固体氧化物燃料电池/电解池金属连接体涂层研究进展

可逆固体氧化物池(SOC)既可作为燃料电池(SOFC)发电,又可用作电解池(SOEC)制氢或合成气,用于清洁能源转换和存储。涂层制备技术对SOC电堆的发展尤为重要。本研究对SOC在不同操作模式下的工作环境进行了分析,对SOC电堆连接体可用的合金材料、涂层材料和涂层制备技术进行了综述。     

等离子熔射制备梯度功能MOLB式SOFC及其复阻抗分析

采用一种融合功能梯度材料设计思想与快速原型制造等离子熔射与机器人数字化成形技术于一体的新方法,借助自主研发的梯度功能送粉系统,多层连续熔射快速制造立体结构MOLB(mono-block layer built)式固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxide fuel cell)三合一电极PEN(positive electrolyte negative)部件.分析了PEN部件的成分、微观组织和阳极、阴极孔隙率的连续梯度变化规律,并利用复阻抗技术对其进行导电性能测试.结果表明,采用该方法能够获得含有成分、组织呈连续梯度变化的功能涂层的SOFC 核心部件PEN;与不含有梯度层的PEN相比,不仅提高电极与电解质间的匹配性,改善电极孔隙率及其分布;而且大幅度减小功能梯度PEN部件界面接触电阻,有助于提高SOFC的电性能.     

中温固体氧化物燃料电池铁系阳极催化剂的性能研究

采用水系流延法制备多孔氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia,YSZ)流延片与有机流延法制备YSZ电解质薄膜,经叠压共烧后获得多孔YSZ/致密YSZ薄膜复合基体。通过化学浸渍法分别在复合基体多孔YSZ层内浸渍了Fe(NO_3)_3、Co(NO_3)_2和Ni(NO_3)_2溶液来制备浸渍阳极SOFC单电池(以LSM+YSZ为阴极)。初步研究了铁系阳极催化剂的性能,测试了不同阳极SOFC单电池在不同温度下的电性能并采用SEM观察了不同浸渍阳极的形貌。进一步对Co-YSZ和Ni-YSZ阳极单电池的抗积碳性能进行了测试与比较。结果表明:在氢气气氛中钴的催化活性最高,镍次之,铁最差;在乙醇气氛中钴的催化活性仍要好于镍,而且Co-YSZ阳极单电池的抗积碳性要明显优于Ni-YSZ阳极单电池。铁系催化剂中Co的催化性能和抗积炭性能最佳。     

表面改质及强化技术

20084295等离子熔射制备梯度功能MOLB式SOFC及其复阻抗分析/杨云珍…//焊接学报.-2008,29(1):13~16采用一种融合功能梯度材料设计思想与快速原型制造等离子熔射与机器人数字化成形技术于一体的新方法,借助自主研发的梯度功能送粉系统,多层连续熔射快速制造立体结构MOLB(mono-blocklayer built)式固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxidefuel cell)三合一电极PEN(positive electrolyte nega-tive)部件。分析了PEN部件的成分、微观组织和阳极、阴极孔隙率的连续梯度变化规律,并利用复阻抗技术对其进行导电性能测试。结果表明,采用该方法能够获得含有成分、组织呈连续梯度变化的功能涂层的SOFC核心部件PEN;与不含有梯度层的PEN相比,不仅提高电极与电解质间的匹配性,改善电极孔隙率及其分布;而且大幅度减小功能梯度PEN部件界面接触电阻,有助于提高SOFC的电性能。图5表1参1220084296等离子熔覆TiC/Ni超厚梯度熔覆层的组织与性能/曹明…//焊接学报.-2008,29(2):13~16利用等离子熔覆技术,选择适当的工艺参数...     

表面改质及强化技术

20084295等离子熔射制备梯度功能MOLB式SOFC及其复阻抗分析/杨云珍…//焊接学报.-2008,29(1):13~16采用一种融合功能梯度材料设计思想与快速原型制造等离子熔射与机器人数字化成形技术于一体的新方法,借助自主研发的梯度功能送粉系统,多层连续熔射快速制造立体结构MOLB(mono-blocklayer built)式固体氧化物燃料电池SOFC(solid oxidefuel cell)三合一电极PEN(positive electrolyte nega-tive)部件。分析了PEN部件的成分、微观组织和阳极、阴极孔隙率的连续梯度变化规律,并利用复阻抗技术对其进行导电性能测试。结果表明,采用该方法能够获得含有成分、组织呈连续梯度变化的功能涂层的SOFC核心部件PEN;与不含有梯度层的PEN相比,不仅提高电极与电解质间的匹配性,改善电极孔隙率及其分布;而且大幅度减小功能梯度PEN部件界面接触电阻,有助于提高SOFC的电性能。图5表1参1220084296等离子熔覆TiC/Ni超厚梯度熔覆层的组织与性能/曹明…//焊接学报.-2008,29(2):13~16利用等离子熔覆技术,选择适当的工艺参数...     

等离子喷涂管状固体氧燃料电池制造工艺研究

开发出了用于管状固态氧燃料电池功能层的大气压等离子喷涂(APS)工艺以制备由空气电极、陶瓷电解质和燃料电极构成的燃料电池结构,进而研究了每层的特性。LSM(La_(0.65)Sr_(0.35)MnO_3)空气电极层和Ni/8YSZ燃料电极层具有23％～32％的气孔率,这足以满足为燃料和氧化剂气体提供有效的电化学反应界面。测量出的电极的导电系数在1000℃时高于90 s/cm;这完全可以满足作为汇流电极的需要。YSZ电解质层在1000℃时具有高达0.07s/cm的分子传导率,但却表现出太多的孔隙以致于不能堵塞氧分子通过它的穿透。用最佳化的等离子喷涂工艺沉积各功能涂层并形成多孔状的圆柱型支架的电池管来制备管状组合SOFC,结果证明,这具有所期望的用于发电的可能性。     

固体氧化物燃料电池连接体材料研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、洁净、全固态的电化学装置,是发展比较快的能源技术之一.本文总结了SOFC关键组件连接体材料的研究进展,详细论述了近年发展起来的金属连接体材料的研究状况,总结了目前研究比较广泛的Ni基、Fe基、Cr基连接体合金的性能特点和存在的主要问题,最后介绍了经过表面处理的Fe-Cr基合金应作为SOFC金属连接体材料的研究重点.     

固体氧化物燃料电池合金连接体涂层材料研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)向中温化发展,使得用金属材料作连接体成为可能.但是金属连接体在SOFC工作的高温氧化和湿氢环境中,其使用寿命受到严重限制,需要表面保护层.常用钙钛矿结构和尖晶石结构类的氧化物作为金属涂层材料.在合金表面涂覆致密氧化物涂层很关键,通过涂层材料与合金挥发出的Cr类元素之间的化学反应,可以降低Cr挥发,减弱Cr对阴极的毒化,阻止合金的进一步氧化.涂层材料还需要有高的电子电导率,与合金匹配的热膨胀性能,以降低界面电阻,防止涂层脱落.目前,还没有哪一种材料能够满足这多方面的要求,因此合金保护涂层材料还需要进一步的研究.     

PVD涂层技术制备类金刚石薄膜及性能研究综述

介绍了采用物理气相沉积(PVD)技术制备类金刚石涂层的方法,进而论述了涂层的摩擦磨损和结合力等性能的研究现状和发展前景。分析并综述了类金刚石涂层的技术发展,以及制备类金刚石薄膜的方法和影响其性能的多种要素。表面涂有类金刚石薄膜的工件具有较高的硬度、良好的热传导率、极低的摩擦系数、优异的电绝缘性能等。类金刚石薄膜(DLC Films)是近年来兴起的一种以sp3和sp2键的形式结合生成的亚稳态材料,因其优异的减摩和抗磨性能,在摩擦学领域获得了广泛应用,是一种与金刚石涂层性能相似的新型薄膜材料。DLC涂层的性能研究大多集中在它的摩擦学特性和结合力性能,并且作为优质的涂层材料已被广泛应用于汽车、模具、刀具等领域。     

固体氧化物燃料电池金属连接体保护膜层研究进展

随着固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作温度从1000℃降低到600~800℃,铁素体不锈钢成为SOFC连接体材料的最佳选择,但在高温氧化气氛下,氧化层快速生长以及Cr的毒化问题使得电池堆性能大大降低。目前,主要的解决方式是在基体材料表面涂镀保护膜层和材料改性。前者由于生产简单、成本低成为当前研究热点。本文主要介绍金属连接体保护膜的分类和研究现状,并探讨各膜层材料的优缺点及发展前景。     

平板式SOFC封接气密性测试研究

封接是平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)研究的热点和难点,目前对封接材料气密性的测试尚没有统一标准.介绍了一种SOFC气密测试装置并使用该装置进行玻璃与云母复合压缩密封的气密性测试,其中金云母与12#玻璃复合压缩密封的电池在800℃,压力为2.8×105Pa,内部气压在5～10 kPa时,得到电池的漏率在0.005～0.0075(cm3·min-1)/cm.初步结论是在云母、玻璃、电解质和金属连接体形成的层状结构中,云母和玻璃的热膨胀系数越是接近电解质的热膨胀系数其封接效果越好.     

先进陶瓷涂层结构调控及其在固体氧化物燃料电池中的应用

等离子喷涂技术可以对陶瓷涂层的微观结构进行调控设计,因此在制备固体氧化物燃料电池方面具有独特的优势。基于等离子喷涂方法,可以直接制备或经过后处理获得致密的电解质涂层。采用等离子喷涂技术也可以制备高性能的多孔阳极和阴极,并可对钙钛矿结构阴极材料的成分和晶体结构进行调控。文中介绍了目前国内外采用涂层制备电池的方法,主要探讨了热喷涂方法制备电解质涂层的特点,对存在的问题和可行思路进行了讨论,并探讨了基于提高三相反应界面长度来制备高性能电极的方法。由于固体氧化物燃料全电池各功能层都有可能通过热喷涂方法制备,因此该方法在固体氧化物燃料电池结构设计具有巨大的潜力。     

固体氧化物燃料电池Cr毒化阴极的研究进展

合金连接体中挥发出来的气态Cr6+是造成固体氧化物燃料电池(SOFC)性能衰减的重要原因之一。目前对Cr毒化SOFC阴极的机理尚未形成统一认识,电化学反应模型认为Cr参与了阴极的电化学氧还原反应过程,并沉积在三相反应界面处;化学反应模型认为,Cr沉积是由形核反应驱动的,电极内的形核剂是Cr沉积的决定因素。本文综述了近十年来Cr毒化SOFC阴极方面的研究进展,尤其是Cr对阴极和电解质的电子和氧离子传输性质的作用。     

铬基合金连接体材料在固体氧化物燃料电池中的应用

主要介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的铬(Cr)基合金连接体材料的发展现状.Cr基合金具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和导电性能等,是目前连接体材料中的研究热点之一.在SOFC阴极环境中,容易形成氧化层,同时由于Cr的扩散和挥发还可能导致阴极中毒,合金中掺杂稀土元素(Y、La、Ce和Zr)可以抑制Cr2O3层的生成.在阳极环境中,Cr基合金的表现优于阴极.与Al2O3、NiO、MgO和TiO2等相比,Cr2O3基氧化层具有较好的综合性能,其耐高温(1100 ℃)、热膨胀系数(9.6×10-6K-1)和YSZ电解质(10.8×10-6K-1)相近、且具有较好的导电性.目前,Cr基合金的研究重点是氧化物弥散强化(ODS)合金,使用最多的是Cr5Fe1Y2O3,其热膨胀系数为9×10-6K-1～10×10-6K-1(1000 ℃),抗氧化性能较好.