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MC Tucker 等人:固體氧化物燃料電池陰極接觸材料的選擇

更新時間:2018-09-14點擊次數:3402

【引言】固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的發電方式,與其他的電池不同,它是能量發生裝置,并且在能量轉換過程中不受卡諾循環的限制,SOFC 由于具有沒有 CO、NOx 等的污染,能量轉換效率高,系統設計簡單,造價低廉,性能穩定,可接受多種燃料等特點正日益受到各國的廣泛關注。固體氧化物燃料電池的工作溫度在 600~1 000 ℃,目前各國的研究重點是如何通過電極材料、電解質材料以及連接體材料的選擇和性能改進達到提高電池性能,降低電池工作溫度的目的。

【成果介紹】

MC Tucker 等人確定合適的陰極接觸材料(CCM)鍵合電連接LSCF陰極到Mn1.5 CO1.5 O4涂層441不銹鋼,相對低溫900~1000℃燒結,并合成和表征了多種CCM候選物。分別測定了導電性、熱膨脹系數采用LISESE-L75膨脹儀測定、燒結行為以及與LSCF或Mn1.5Co1.5O4反應的傾向。從這次篩選中,LSCF、LSCuF、LSC和SSC被選為有希望的候選。這些成分應用于LSCF Mn1.5Co1.5O4涂層 441不銹鋼樣片,并在800℃下進行200小時ASR測試。在區域特異性抗逆性試驗后,對試樣進行橫切分析,以便在CCM/LSCF或CCM/Mn1.5Co1.5O4界面間擴散觀察到較窄的擴散帶。

圖文導讀

圖1在SOFC電池和涂層不銹鋼互連之間放置CCM的示意圖

圖2“半裝配”試樣幾何形狀的示意圖。(a)CCM/MCO-141和(b)CCM/LSCF。

 

圖3從Praxair購買的粉末的XRD跡線。從樣品盒中產生的峰用星號表示。

圖4用GNP合成的粉末在800℃粗化的XRD跡線。樣品盒中產生的峰用星號表示。

5:GNP合成LBC在各種溫度的粗化下的XRD跡線。

圖6在表2列出的溫度下燒結的各種試樣棒的電導率的溫度依賴性。

 

圖7各種CCM候選材料的熱膨脹系數(CTE)的溫度依賴性。

 

圖8暴露于高溫后各種物理混合物的XRD跡線每種混合物的純組分的XRD跡線進行比較。(a)LSCF和MCO混合物在暴露于1000℃10小時;(b)NCC和MCO混合物暴露于800℃下120小時;(c)SBSC和LSCF混合物暴露于1000℃120小時。

圖9暴露1000℃10小時,NCC與LSCF或MCO的物理混合物的SEM和EDS分析a)LSCF和NCC混合物的SEM圖像。箭頭指示EDS分析點的位置。(b)NCC和LSCF混合物中各種元素的EDS信號強度。(c)NCC和MCO混合物中各種元素的EDS信號強度。虛線表示LSCF/NCC或MCO/NCC邊界的位置。

 

圖10用膨脹法測定各種CCM候選材料的燒結行為。為了清楚起見,在兩個圖(a)和(b)中示出了組合物。(c)收縮率在900~1000℃范圍內與CCM鍵有關。

圖11GSC燒結行為圖中的標記顯示了在900和1000℃下的初始燒結點和收縮率確定。

圖12在空氣中的800℃下的各種半組件的ASR。(a)CCM/LSCF和(b)CCM/MCO-141組件。(c)NCC/LSCF(黑色)和NCC/MCO-441(灰色)

圖13各種LSCF / CCM / MCO-441組件在800℃空氣中的ASR。

圖14:半組裝的SSC/MCO-44 1HALF ASR測試后的SEM圖像

圖15半組裝試樣ASR測試界面擴散的能譜分析a)SSC/MCO、(b)LSC/MCO和(c)LSC/LSCF

【結論】

從SOFC陰極文獻中鑒定出候選CCM組合物的列表。篩選的候選的電導率,燒結行為,CTE,并傾向于與MCO或LSCF反應。LSCF、LSCUF、SSC和LSC是本次研究的有希望的候選。這些測試ASR上LSCF和MCO涂覆441。CCM/MCO - 441樣品的ASR比CCM/LSCF樣品大,顯示出較低的初始穩定性。因此,我們得出結論,在LSCF/CCM/MCO-141中的ASR是由MCO和Cr2O3控制的。在兩種基質上,LSC和SSC提供了低和穩定的ASR,雖然LSCF和LSCuF也是可以接受的。燒結到1000℃后,電性能是可以接受的。這些材料之間的進一步選擇將取決于CCM/LSCF和CCM/MCO界面的機械完整性。未來的工作將包括CM/LSCF和CCM/MCO-141界面粘附的機械測試,以及具有不同CCM組合物的全細胞的原位操作。

 

 

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