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MC Tucker 等人:固体氧化物燃料电池阴极接触材料的选择

点击次数:2074  发布时间:2018-09-14

【引言】固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的发电方式,与其他的电池不同,它是能量发生装置,并且在能量转换过程中不受卡诺循环的限制,SOFC 由于具有没有 CO、NOx 等的污染,能量转换效率高,系统设计简单,造价低廉,性能稳定,可接受多种燃料等特点正日益受到各国的广泛关注。固体氧化物燃料电池的工作温度在 600~1 000 ℃,目前各国的研究重点是如何通过电极材料、电解质材料以及连接体材料的选择和性能改进达到提高电池性能,降低电池工作温度的目的。

【成果介绍】

MC Tucker 等人确定合适的阴极接触材料(CCM)键合电连接LSCF阴极到Mn1.5 CO1.5 O4涂层441不锈钢,相对低温900~1000℃烧结,并合成和表征了多种CCM候选物。分别测定了导电性、热膨胀系数采用LISESE-L75膨胀仪测定、烧结行为以及与LSCF或Mn1.5Co1.5O4反应的倾向。从这次筛选中,LSCF、LSCuF、LSC和SSC被选为有希望的候选。这些成分应用于LSCF Mn1.5Co1.5O4涂层 441不锈钢样片,并在800℃下进行200小时ASR测试。在区域特异性抗逆性试验后,对试样进行横切分析,以便在CCM/LSCF或CCM/Mn1.5Co1.5O4界面间扩散观察到较窄的扩散带。

图文导读

图1在SOFC电池和涂层不锈钢互连之间放置CCM的示意图

图2“半装配”试样几何形状的示意图。(a)CCM/MCO-141和(b)CCM/LSCF。

 

图3从Praxair购买的粉末的XRD迹线。从样品盒中产生的峰用星号表示。

图4用GNP合成的粉末在800℃粗化的XRD迹线。样品盒中产生的峰用星号表示。

5:GNP合成LBC在各种温度的粗化下的XRD迹线。

图6在表2列出的温度下烧结的各种试样棒的电导率的温度依赖性。

 

图7各种CCM候选材料的热膨胀系数(CTE)的温度依赖性。

 

图8暴露于高温后各种物理混合物的XRD迹线每种混合物的纯组分的XRD迹线进行比较。(a)LSCF和MCO混合物在暴露于1000℃10小时;(b)NCC和MCO混合物暴露于800℃下120小时;(c)SBSC和LSCF混合物暴露于1000℃120小时。

图9暴露1000℃10小时,NCC与LSCF或MCO的物理混合物的SEM和EDS分析a)LSCF和NCC混合物的SEM图像。箭头指示EDS分析点的位置。(b)NCC和LSCF混合物中各种元素的EDS信号强度。(c)NCC和MCO混合物中各种元素的EDS信号强度。虚线表示LSCF/NCC或MCO/NCC边界的位置。

 

图10用膨胀法测定各种CCM候选材料的烧结行为。为了清楚起见,在两个图(a)和(b)中示出了组合物。(c)收缩率在900~1000℃范围内与CCM键有关。

图11GSC烧结行为图中的标记显示了在900和1000℃下的初始烧结点和收缩率确定。

图12在空气中的800℃下的各种半组件的ASR。(a)CCM/LSCF和(b)CCM/MCO-141组件。(c)NCC/LSCF(黑色)和NCC/MCO-441(灰色)

图13各种LSCF / CCM / MCO-441组件在800℃空气中的ASR。

图14:半组装的SSC/MCO-44 1HALF ASR测试后的SEM图像

图15半组装试样ASR测试界面扩散的能谱分析a)SSC/MCO、(b)LSC/MCO和(c)LSC/LSCF

【结论】

从SOFC阴极文献中鉴定出候选CCM组合物的列表。筛选的候选的电导率,烧结行为,CTE,并倾向于与MCO或LSCF反应。LSCF、LSCUF、SSC和LSC是本次研究的有希望的候选。这些测试ASR上LSCF和MCO涂覆441。CCM/MCO - 441样品的ASR比CCM/LSCF样品大,显示出较低的初始稳定性。因此,我们得出结论,在LSCF/CCM/MCO-141中的ASR是由MCO和Cr2O3控制的。在两种基质上,LSC和SSC提供了低和稳定的ASR,虽然LSCF和LSCuF也是可以接受的。烧结到1000℃后,电性能是可以接受的。这些材料之间的进一步选择将取决于CCM/LSCF和CCM/MCO界面的机械完整性。未来的工作将包括CM/LSCF和CCM/MCO-141界面粘附的机械测试,以及具有不同CCM组合物的全细胞的原位操作。

 

 

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