SOFC尖晶石改性不锈钢连接体及复合阴极的特性研究

发布时间：2017-08-05 19:39

  本文关键词：SOFC尖晶石改性不锈钢连接体及复合阴极的特性研究

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【摘要】：固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种高效、节能、清洁、安静和可靠的发电装置,未来必将成为船舶电力推进的一种重要的绿色能源技术。近年来,随着SOFC技术的迅速发展,其工作温度已经降低到600-800℃的中低温区域,使得金属连接体材料的应用成为可能,其中铁素体不锈钢成为最有发展潜力的候选材料。但是,其在高温环境下长期抗氧化性和表面导电性以及阴极材料的性能与兼容性都将影响SOFC的稳定性与输出性能。本文以高Cr铁素体不锈钢SUS430为研究对象,采用脉冲电沉积合金预氧化法在其表面制备MnCo2O4和NiCo2O4两种尖晶石改性层,研究两种尖晶石改性层SUS430在SOFC工作环境下的氧化动力学行为和表面导电性能,探索两种尖晶石改性层对SUS430高温抗氧化性能和导电性能的影响。制备三种阴极材料,研究其热膨胀性能和电化学性能,并通过掺杂电解质获得复合阴极材料,探索研究复合阴极材料、电解质及改性连接体的热膨胀兼容性。采用溶胶凝胶法制备了MnCo204和NiCo2O4两种尖晶石氧化物粉末,研究了该尖晶石氧化物的高温电导率和热膨胀系数(TEC),结果表明MnCo2O4和NiCo2O4在800℃的电导率分别为17.6 S·cm-1和24.3 S·cm-1；TEC分别为11.5×10-6K-1和11.8×10-6 K-1,与SUS430基体的TEC=11.0×10-6 K-1非常相近。因此,两种尖晶石可以作为理想的金属连接体改性层材料。采用脉冲电沉积在SUS430不锈钢表面首先沉积Co-Mn合金层或Co-Ni合金层,然后经过一定温度预氧化,制备了MnCo2O4和NiCo2O4两种尖晶石改性层。首次将Co-Ni尖晶石氧化物作为SOFC金属连接体的表面改性材料。该改性层均匀致密,且与SUS430基体结合良好。在模拟SOFC工作环境下进行长期氧化,施加MnCo2O4与NiCo2O4改性层后,可使SUS430的氧化速率由2.702×10-4·s-1分别降低到0.717×10-4mg 2·cm-4·s-1和1.189X10-4 mg2·cm-4·s-1;并且使SUS430的氧化激活能由193.07KJ·mol-1分别增加到275.94 KJ·mol-1和250.13 KJ·mol-1在模拟SOFC工作环境下氧化500h后,面比电阻(ASR)测试结果表明,施加MnCo2O4与NiCo2O4改性层后,可使SUS430的ASR由410 2mΩ·cm2分别降低到206 mΩ·cm2和99mΩ·cm2,表明施加上述两种尖晶石改性层可显著提高SUS430的高温抗氧化性和表面导电性。本文研究了Lao.7Sr0.3Mn03.δ (LSM)、La0.6Sr0.4Fe0.8CoO3-δ (LSFC) La0.7Sr0.3Coo.95Cu0.05O3-δ (LSCC)三种阴极材料的热膨胀系数(TEC)和电化学性能,结果表明LSCC在电化学性能方面明显优于其他阴极材料,而LSM的TEC与SUS430的匹配度更高。通过在LSCC中掺杂SDC电解质获得复合阴极,有效降低了LSCC的TEC,同时提高了复合阴极的电化学性能,使单电池输出功率显著增加,800℃时短路电流密度为0.352 A/cm2,最大输出功率为75 mW/cm2.
【关键词】：固体氧化物燃料电池 金属连接体 脉冲电沉积 氧化动力学 面比电阻 复合阴极
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U665
【目录】：

• 创新点摘要5-6
• 摘要6-8
• abstract8-13
• 第一章 绪论13-32
• 1.1 引言13-14
• 1.2 船舶燃料电池的发展前景及现状14-17
• 1.3 燃料电池的定义17
• 1.4 燃料电池的特点17-18
• 1.5 燃料电池的类型18-22
• 1.5.1 固体氧化物燃料电池的特点19
• 1.5.2 SOFC的工作原理19-21
• 1.5.3 SOFC的结构形式21-22
• 1.6 SOFC连接体22-26
• 1.6.1 SOFC陶瓷连接体23-24
• 1.6.2 SOFC金属连接体24-26
• 1.7 SOFC金属连接体表面改性26-30
• 1.7.1 钙钛矿陶瓷27-28
• 1.7.2 尖晶石28-30
• 1.8 阴极材料30-31
• 1.9 本文的研究内容31-32
• 第二章 实验材料与方法32-41
• 2.1 实验材料与仪器设备32-34
• 2.1.1 实验基材32
• 2.1.2 实验试剂及材料32-34
• 2.1.3 仪器和设备34
• 2.2 实验方法34-41
• 2.2.1 原料粉体的制备方法34-35
• 2.2.2 尖晶石改性层的制备方法35-36
• 2.2.3 物理性能测试36
• 2.2.4 微观形貌表征36
• 2.2.5 恒温氧化实验36-37
• 2.2.6 电化学性能测试37-41
• 第三章 MnCo_2O_4尖晶石改性层制备与性能研究41-70
• 3.1 MnCo_2O_4尖晶石氧化物性能研究41-45
• 3.1.1 MnCo_2O_4尖晶石氧化物粉末制备41-42
• 3.1.2 MnCo_2O_4尖晶石氧化物物相结构分析42-43
• 3.1.3 MnCo_2O_4尖晶石氧化物导电性能研究43-44
• 3.1.4 MnCo_2O_4尖晶石氧化物的热膨胀系数44-45
• 3.2 MnCo_2O_4尖晶石改性层制备45-58
• 3.2.1 脉冲电沉积制备Mn-Co合金层45-51
• 3.2.2 脉冲电沉积合金后预氧化制备MnCo_2O_4尖晶石改性层51-58
• 3.3 MnCo_2O_4尖晶石改性层对SUS430抗氧化性能的影响58-67
• 3.3.1 MnCo_2O_4尖晶石改性层SUS430抗氧化性能研究58-62
• 3.3.2 MnCo_2O_4尖晶石改性层SUS430长期氧化后物相结构62-63
• 3.3.3 MnCo_2O_4尖晶石改性层SUS430长期氧化后的形貌表征63-67
• 3.4 MnCo_2O_4尖晶石改性层对SUS430导电性能的影响67-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第四章 NiCo_2O_4尖晶石改性层制备与性能研究70-98
• 4.1 NiCo_2O_4尖晶石氧化物性能研究70-74
• 4.1.1 NiCo_2O_4尖晶石氧化物粉末制备71
• 4.1.2 NiCo_2O_4尖晶石氧化物物相结构分析71-72
• 4.1.3 NiCo_2O_4尖晶石氧化物导电性能研究72-73
• 4.1.4 NiCo_2O_4尖晶石氧化物的热膨胀系数73-74
• 4.2 NiCo_2O_4尖晶石改性层制备74-85
• 4.2.1 脉冲电沉积制备Ni-Co合金层74-78
• 4.2.2 脉冲电沉积合金后预氧化制备NiCo_2O_4尖晶石改性层78-85
• 4.3 NiCo_2O_4尖晶石改性层对SUS430抗氧化性能的影响85-92
• 4.3.1 NiCo_2O_4尖晶石改性层SUS430抗氧化性能研究85-88
• 4.3.2 NiCo_2O_4尖晶石改性层SUS430长期氧化后物相结构88-89
• 4.3.3 NiCo_2O_4尖晶石改性层SUS430长期氧化后的形貌表征89-92
• 4.4 NiCo_2O_4尖晶石改性层对SUS430导电性能的影响92-94
• 4.5 尖晶石改性层性能比较94-97
• 4.6 本章小结97-98
• 第五章 复合阴极材料制备与性能研究98-123
• 5.1 阴极材料及电解质的制备98-100
• 5.1.1 阴极材料的制备98-99
• 5.1.2 电解质的制备99
• 5.1.3 电极的制备99-100
• 5.2 阴极材料物理性能测试及电化学性能研究100-111
• 5.2.1 阴极材料物相结构100-101
• 5.2.2 阴极材料的导电性能研究101-104
• 5.2.3 阴极材料的热膨胀系数104-105
• 5.2.4 阴极材料电化学性能105-111
• 5.3 复合阴极的制备111-112
• 5.4 复合阴极的物理性能测试及电化学性能研究112-121
• 5.4.1 复合阴极的物相结构112-113
• 5.4.2 复合阴极的导电性能研究113-114
• 5.4.3 复合阴极的热膨胀系数114-116
• 5.4.4 复合阴极的电化学性能116-121
• 5.5 本章小结121-123
• 第六章 结论与展望123-126
• 6.1 结论123-124
• 6.2 展望124-126
• 参考文献126-138
• 攻读学位期间公开发表论文138-139
• 致谢139-140
• 作者简介140

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