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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的发电装置。它利用具有氧离子导电性的陶瓷材料作为电解质,具有能量转化效率高、环境友好、燃料适应性强、无需贵金属催化剂等优点。
由于SOFC单电池功率有限,在实际应用中需要将单电池串联或并联以组成电池堆。连接体就是将单电池连接成电池堆的关键部件:它不仅为相邻单电池的阴极和阳极提供电子通道,而且隔离相邻阴极和阳极的不同气氛。目前,SOFC商业化进展缓慢的主要原因是成本过高。由于连接体的制各成本占到SOFC成本的一半甚至更高,因此,研究和优化连接体材料的性能及其制备工艺,降低连接体成本对于SOFC商业化进展有重要意义。
目前研究和使用的连接体材料主要有高温耐热合金和LaCrO3基陶瓷材料。前者主要用于平板式SOFC电池堆,而后者主要被管式SOFC电池堆所采用。本论文的研究工作从平板式合金连接体和管式陶瓷连接体两个方面展开。
1)平板式合金连接体方面
以两种SOFC常用的Fe-Cr合金SUS430和Crofer22 APU为基体,研究了二者的高温氧化动力学,分析了二者的氧化膜成分以及初步探讨了二者氧化机理。为提高基体抗氧化性能,分别采用大气等离子喷涂法和浆料涂覆—热处理法制备了保护涂层。通过探索和优化工艺参数,在Crofer22.APU基体表面制备出较致密的Mn1.5Co1.5O4涂层。实验结果发现,有涂层的Crofer22.APU样品的抗氧化性能得到显著提高,750℃空气中氧化500h后其ASR仅为42mΩ左右,比空白样品低了近一个数量级。另外,采用了一种工艺更为简单、成本更为低廉的浆料涂覆一热处理法制备了保护涂层。通过在Mn-Co-O材料中掺杂Cu,使材料的性能得到优化。
2)管式陶瓷连接体方面
与NiO/YSZ阳极素坯共烧制备连接体方面的研究工作,目前还没有相关报道。由于传统的LaCrO3基陶瓷材料烧结活性很差,因此,首次提出了一种新型的La0.4Sr0.6TiO3/La0.8Sr0.2MnO3双层结构的连接体。研究了La0.4Sr0.6TiO3(LST)与La0.8Sr0.2MnO3(LSM)的相容性及匹配性;通过浆料涂刷法依次将LST、LSM的浆料涂刷在NiO/YSZ阳极素坯上,然后在马弗炉中共烧。通过在阳极和LST之间引入NiO/LST过渡层,有效降低了连接体与阳极之间的欧姆阻抗,在900℃时为0.12Ω cm2;经过发电试验表明,电池的输出效率随着温度升高而提高,在900℃时实现了近70%的输出效率。
此外,对管式SOFC电池堆进行了初步探索。将两根单电池进行串联发电,电池堆的开路电压达到了2.2V左右;经过优化之后,电池堆的输出效率在850℃和900℃时均超过了80%,证明了该LST/LSM双层连接体的应用可行性。