MC Tucker 等人:固體氧化物燃料電池陰極接觸材料的選擇
【引言】固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種新型的發(fā)電方式,與其他的電池不同,它是能量發(fā)生裝置,并且在能量轉(zhuǎn)換過程中不受卡諾循環(huán)的限制,SOFC 由于具有沒有 CO、NOx 等的污染,能量轉(zhuǎn)換效率高,系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單,造價(jià)低廉,性能穩(wěn)定,可接受多種燃料等特點(diǎn)正日益受到各國的廣泛關(guān)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(diǎn)是如何通過電極材料、電解質(zhì)材料以及連接體材料的選擇和性能改進(jìn)達(dá)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,在相對(duì)低溫900~1000℃下燒結(jié),并合成和表征了多種CCM候選物。分別測(cè)定了導(dǎo)電性、熱膨脹系數(shù)(采用LISESE-L75膨脹儀測(cè)定)、燒結(jié)行為以及與LSCF或Mn1.5Co1.5O4反應(yīng)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(yīng)用于LSCF和 Mn1.5Co1.5O4涂層 441不銹鋼樣片,并在800℃下進(jìn)行200小時(shí)ASR測(cè)試。在區(qū)域特異性抗逆性試驗(yàn)后,對(duì)試樣進(jìn)行橫切分析,以便在CCM/LSCF或CCM/Mn1.5Co1.5O4界面間擴(kuò)散,觀察到較窄的擴(kuò)散帶。
【圖文導(dǎo)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(chǎn)生的峰用星號(hào)表示。
圖4:用GNP合成的粉末在800℃下粗化的XRD跡線。樣品盒中產(chǎn)生的峰用星號(hào)表示。
圖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(jié)的各種試樣棒的電導(dǎo)率的溫度依賴性。
圖7:各種CCM候選材料的熱膨脹系數(shù)(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。對(duì)每種混合物的純組分的XRD跡線進(jìn)行比較。(a)LSCF和MCO混合物在暴露于1000℃下10小時(shí);(b)NCC和MCO混合物暴露于800℃下120小時(shí);(c)SBSC和LSCF混合物暴露于1000℃下120小時(shí)。
圖9:暴露于1000℃下10小時(shí),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(diǎn)的位置。(b)NCC和LSCF混合物中各種元素的EDS信號(hào)強(qiáng)度。(c)NCC和MCO混合物中各種元素的EDS信號(hào)強(qiáng)度。虛線表示LSCF/NCC或MCO/NCC邊界的位置。
圖10:用膨脹法測(cè)定各種CCM候選材料的燒結(jié)行為。為了清楚起見,在兩個(gè)圖(a)和(b)中表示出了組合物。(c)收縮率在900~1000℃范圍內(nèi)與CCM鍵有關(guān)。
圖11:GSC的燒結(jié)行為。圖中的標(biāo)記顯示了在900和1000℃下的初始燒結(jié)點(diǎn)和收縮率的確定。
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(cè)試后的SEM圖像。
圖15:半組裝試樣ASR測(cè)試后的界面擴(kuò)散的能譜分析(a)SSC/MCO、(b)LSC/MCO和(c)LSC/LSCF
【結(jié)論】
從SOFC陰極文獻(xiàn)中鑒定出候選CCM組合物的列表。篩選的候選物的電導(dǎo)率,燒結(jié)行為,CTE,并傾向于與MCO或LSCF反應(yīng)。LSCF、LSCUF、SSC和LSC是本次研究的有希望的候選物。這些測(cè)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(wěn)定性。因此,我們得出結(jié)論,在LSCF/CCM/MCO-141中的ASR是由MCO和Cr2O3控制的。在兩種基質(zhì)上,LSC和SSC提供了低和穩(wěn)定的ASR,雖然LSCF和LSCuF也是可以接受的。燒結(jié)到1000℃后,電性能是可以接受的。這些材料之間的進(jìn)一步選擇將取決于CCM/LSCF和CCM/MCO界面的機(jī)械完整性。未來的工作將包括CM/LSCF和CCM/MCO-141界面粘附的機(jī)械測(cè)試,以及具有不同CCM組合物的全細(xì)胞的原位操作。
文獻(xiàn)所在位置: