固体氧化物燃料电池金属连接板MnCo保护膜厚度优化研究-材料工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 Classified Index: TQ517.3 U.D.C:547 Dissertation for the Master ’s Degree in Engineering OPTIMIZATION RESEARCH OF MNCO PROTECTIVE COATINGS FOR SOFC METALLIC INTERCONNECTS Candidate： Zeng Yanxia Sμpervisor： Associate. Prof. Wu Junwei Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Material Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： December, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 随着固体氧化物燃料电池操作温度的降低，铁素体不锈钢已经 成 为 SOFC 连接体的重要研究材料，在降低连接体的面电阻和防止阴极中毒研究 领域，(Mn,Co)3O4 尖晶石是目前公认为适合用作 SOFC 不锈钢连接体保护膜 层材料。不但具有良好的导电性、导热性和化学稳定性， 而且热膨胀系数与 不锈钢基板匹配较好。目前制备膜层的方法主要有 印丝网法、溶胶凝胶、电 泳沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、旋涂法、脉冲电镀等，前期研究成 果表明 Mn40Co60 膜层在后续氧化过程中生成了稳定的尖晶石结构，能有效的 抑制 Cr 元素的扩散，在前期研究的结果上，对 Mn40Co60 膜层厚度进行了优 化研究以及在空气中和双气氛气体下（Air+3%H2O//H2+3%H2O）的 ASR 测 试进行了研究。 采用磁控溅射的方法在不锈钢 SUS430 溅射 800 nm、1500 nm 和 3000nm 三种不同厚度的膜层，将制备的膜层放在 800℃的空气中氧化 2 h、250 h、 500 h、1000 h 得到不同成分含量的尖晶石膜层。采用 SEM 来观察氧化膜层 的表面形貌和晶粒粗化规律跟晶粒大小；采用 EDS 来分析膜层的表面元素比 例和元素分布情况；采用 XRD 来分析氧化膜层的物相组成；采用 FIB 来分 析氧化膜层的厚度以及各氧化层的厚度分布；采用 ASR 测试来分析氧化膜层 的导电性能。 根据 膜 层 的 ASR 在空气中 性能测试分析， Mn40Co60-1500 nm 和 Mn40Co60-3000 nm 膜层的面电阻比 Mn40Co60-800 nm 膜层的面电阻要小且面 电 阻 随 着 氧 化 时 间 的 延 长 的 变 化 趋 势 要 稳 定 ， 而 Mn40Co60-1500 nm 和 Mn40Co60-3000 nm 膜层的面电阻基本很相近，根据 Wagner 氧化原理推测在 后续氧化的 40000 h 后膜层的面电阻分别为 94 mΩcm2 和 89 mΩcm2，小于美 国能源部固态能源转换联盟(SECA)提出的 100 mΩcm2，符合要求，因此考虑 成本问题，得出 Mn40Co60-1500nm 膜层是在阴极条件下最佳的 SOFC 连接体 保护膜层厚度。 此外，为验证该连接板膜层在燃料电池实际工作条件的性能，将在 800℃ 的空气中氧化 2 h 的膜层放到 800℃的双气氛中进行长时间的 ASR 测试。结 果表明，在还原和氧化气氛里，膜层都能有效抑制 Cr 元素的扩散，但随着测 试时间的延长，在阴极气氛中膜层有明显的 Fe2O3 绝缘层形成，并有膜层剥 落，大大增加了膜层的面电阻。后续在双气氛下元素的扩散情况及膜层的稳 -I- 定性还需进一步研究。 关键词：固体氧化物燃料电池；连接体；膜层；膜层厚度； ASR 测试 -II- Abstract With recent progress in lowering the operating temperature ， chromia forming ferritic stainless steels are considered as promising interconnect materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) .To block the chromium evaporation and chromium poisoning, (Mn,Co)3O4 spinel is one of the most promising coating