SOFCs金属连接体表面改性Mn-Co尖晶石涂层研究现状

Fe-Cr铁素体不锈钢是中低温固体氧化物燃料电池(SOFCs)的理想连接体材料,但其在高温有氧环境中表面易被氧化,且会引起阴极“Cr毒化”现象,致使电池工作效率降低。Mn-Co尖晶石因其较高的高温导电性和抗氧化性,被广泛应用于连接体保护涂层以提高连接体的抗氧化性,并减少Cr的扩散。但Mn-Co尖晶石涂层在长期服役过程中仍存在Cr元素扩散导致Cr2O3过渡氧化层不断增厚、涂层导电性能下降的现象,研究发现通过对Mn-Co尖晶石涂层进行掺杂改性可有效改善上述问题。本文结合近年来Mn-Co尖晶石涂层研究进展,简述了典型的Mn-Co尖晶石晶体结构及其导电机制,总结了改性元素在Mn-Co尖晶石中可能的掺杂位点及对尖晶石晶体结构的影响,重点阐述了稀土元素Y、La、Ce,以及过渡族元素Cu、Fe改性对Mn-Co尖晶石涂层抗氧化性、导电性、黏附性,以及热膨胀系数相容性的影响,详述了改性元素作用机理,总结对比了不同元素对Mn-Co尖晶石涂层改性的侧重点。最后,对当前研究中Mn-Co尖晶石涂层存在的问题及今后改性Mn-Co尖晶石涂层的研究方向进行了展望。

固体氧化物燃料电池铁素体不锈钢连接体的导电/保护涂层

铁素体不锈钢因具有诸多优点而成为中温固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体部件的标准材料。根据SOFC的运行环境,综述了连接体在电池堆中所起的作用、性能要求和材料种类。针对用作SOFC铁素体不锈钢连接体的活性元素氧化物型、稀土钙钛矿型、尖晶石型和MAlCrYO型4类导电/保护涂层材料,重点论述了其作用机理、主要制备技术及研究进展。

中低温固体氧化物燃料电池合金连接体保护涂层研究进展

Fe-Cr铁素体合金是中低温固体氧化物燃料电池理想的连接体材料,但其在高温下缺乏良好的抗氧化性能,且会引起阴极"Cr中毒"现象,影响了电池的高效安全运行,目前解决上述问题的主要方法是对合金连接体进行表面改性,在连接体表面开发导电性保护涂层。介绍了中低温固体氧化物燃料电池Fe-Cr合金连接体表面涂层材料的主要作用和具体要求,着重阐述了目前连接体涂层材料的主要类型及其研究进展,并指出了目前该领域研究中存在的问题及今后的发展方向。

金属支撑固体氧化物燃料电池技术进展

可快速启动的金属支撑固体氧化物燃料电池(MS-SOFC)是助力实现“双碳”目标的变革性技术。MS-SOFC具有机械性能好、易于密封等优点,采用与陶瓷电解质热膨胀系数相近且成本低廉的铁素体不锈钢为电池提供结构支撑,有望大幅降低制造成本。金属连接体与金属支撑体是MS-SOFC的2个核心部件,常用的材料有铁素体不锈钢、Cr基合金以及Ni基合金。目前日本、德国、美国和我国均开发了面向SOFC应用的不锈钢体系,不锈钢涂层防护技术也取得了显著的进展,有效提高了材料的抗高温氧化与还原性质。为解决高温烧结制备MS-SOFC所产生的问题,主要采用热喷涂法与低温烧结法制备致密电解质。MS-SOFC使用金属支撑体与连接体,可以使用传统的焊接技术实现支撑体与连接体的有效连接,或通过粉末压制-烧结一体化多孔金属支撑体-连接体结构可以有效实现燃料侧燃料气体的密封。MS-SOFC长期运行性能衰减机理有金属材料的氧化、Cr挥发引起的阴极毒化、催化剂颗粒的粗化等。英国CeresPower公司、美国通用电气公司(GE)、德国宇航中心(DLR)、德国于利希(FZJ)研究中心、奥地利Plansee公司等均取得了一定的成就,MS-SOFC已初步实现了商业化应用。

铁素体合金表面复合尖晶石涂层的研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有清洁、高效等优点而得到了世界各国的广泛研究。连接体是研究SOFC的关键组件之一,近年来研究最多的SOFC连接体材料是铁素体不锈钢,其在实际的生产应用中具有导热性好、热膨胀系数匹配性好等优点。但“阴极铬中毒”、高温导电性和抗氧化性差等问题又限制了这一材料的应用,常见的解决办法是在表面制备保护涂层,如活性元素氧化物涂层、稀土钙钛矿涂层、复合尖晶石涂层等,其中复合尖晶石涂层被普遍认为是最具应用前景的SOFC连接体涂层。关于复合尖晶石涂层的性能及优化研究主要集中在成分、制备工艺和连接体三个方面。在成分方面,对比研究电导率、热膨胀系数、面比电阻和氧化速率常数等参数发现,Cu-Mn尖晶石涂层的电导率最高,而Co-Mn尖晶石的综合性能最好。还可以通过在尖晶石晶体中掺杂铜、铁来提高涂层的电导率,在涂层中掺杂活性元素及其氧化物来降低面比电阻、提高涂层的高温抗氧化性。在制备工艺方面,电泳沉积、磁控溅射等方法所制备的涂层均匀致密,能很好地黏附在基体表面,涂层性能优越。在连接体方面,凹面少、表面平整的连接体所制备的涂层性能更加稳定。本文详尽地归纳了近年来关于SOFC连接体的复合尖晶石保护涂层的研究,从成分、制备工艺和连接体三个方面讨论了涂层的优化方法,并指明了研究趋势,可以为推动金属连接体的工业化应用提供指导。

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–x)Sr_(x)CrO_(3)、La_(1–x)Sr_(x)CoO_(3)、La_(1–x)Sr_(x)MnO_(3)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、涂层结合情况等的影响,元素掺杂在一定程度上可以改善涂层的电导率和提高阻Cr效果,但是仍需要进一步研究掺杂量、长期稳定性等问题。最后,对金属连接体防护涂层存在的问题和今后研究工作的重点作出了展望。

SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层掺杂改性研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换效率高、燃料适用范围广等优点,具有广阔的应用前景。由于SOFC工作温度较高(600-800℃),金属连接体长期服役过程中会发生严重的氧化和元素挥发,导致电池性能衰退,降低其使用寿命,故而需要对金属连接体进行防护。在现有的防护涂层材料中,Mn-Co尖晶石涂层能有效抑制金属连接体的氧化和Cr挥发,被广泛用于金属连接体防护,但其高温电导率需要进一步提升。掺杂改性是一种有效提高Mn-Co尖晶石电导率和防护性能的方法。围绕Mn-Co尖晶石掺杂元素和改性方法,详细介绍了SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层的研究进展。

固体氧化物燃料电池金属连接体腐蚀研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)常用廉价、易加工、导电性强的铁素体不锈钢作为连接体材料。然而,SOFC电堆中苛刻环境限制连接体的使用。本文介绍了近年来连接体材料腐蚀行为的研究现状,综述了空气、燃料气氛、双重气氛、微量合金元素、接触环境等因素对连接体腐蚀的影响规律,系统地阐述了连接体材料的腐蚀机理,并指出连接体腐蚀行为研究中存在的不足以及未来发展方向。

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。

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。