中低温固体氧化物燃料电池连接材料抗氧化性与导电性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zj149099548
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铁素体不锈钢材料是中低温固体氧化物燃料电池中广泛应用的连接材料,具有与电池部件热膨胀匹配良好、价格低廉且制备过程灵活、耐腐蚀性良好、热化学稳定等优点。但是其也会存在一些不足,如中高温力学强度不足、表面氧化物电导率偏低、Cr蒸汽的形成与阴极污染等,都限制了中低温固体氧化物燃料电池连接部件的长时间应用。因此,为了改善铁素体合金的综合性能,近几年研制了一些添加微量合金元素的Fe-Cr合金,如Croffer 22H,ZMG232J3合金等。从发展趋势上看,这些新型的铁素体合金将会逐步取代普通Fe-Cr合金而成为中低温固体氧化物燃料电池连接体材料的主流。因此,有必要从基础研究的层面上加深对这些材料和相关科学问题的认识。本论文主要研究了新型铁素体与传统铁素体合金以及合金/涂层体系在中高温条件下的抗氧化性能与导电性能。实验以广泛应用的传统铁素体合金SUS430L与新型铁素体合金ZMG232L材料为研究对象,探究两种连接材料在800°C空气中长时间循环氧化后氧化增重的变化;对循环氧化100h、500h、1000h后的样品进行微观组织观察与形貌分析,研究氧化过程中氧化膜的生成行为;对两种样品的导电性能进行研究。同时,为了进一步提高样品的抗氧化性,对样品表面进行涂覆涂层处理,对于施加涂层后的样品也进行相应的抗氧化性与导电性能的研究。针对两种未涂覆涂层连接材料的研究发现,ZMG232L铁素体合金的抗氧化性明显优于SUS430L合金。氧化1000h后ZMG232L的氧化增重为1.11 mg2·cm-4而SUS430L达到9.38 mg2·cm-4,前者的氧化膜主要以MnCr2O4尖晶石为主,含有少量Cr2O3氧化物,而后者的氧化膜主要以Cr2O3的生长为主,伴随少量的MnCr2O4尖晶石结构。氧化行为的不同也会影响两种材料的导电性能,Mn-Cr氧化物比Cr2O3更能提高Fe-Cr合金的激活能。涂层能显著提高Fe-Cr合金的抗氧化性与导电性能。氧化1000h后,ZMG232L涂层样品氧化增重为0.013 mg2·cm-4,SUS430L涂层样品为0.588 mg2·cm-4,与未涂覆涂层相比,氧化增重明显减少。两种涂层样品预氧化层与涂层会发生界面反应与扩散,界面层主要以Mn、Cr、Co元素为主,并在氧化膜与基体界面上发现少量的富Cr区,但XRD分析未得到Cr2O3的衍射峰,说明涂层能有效防止Cr的外扩。对比两种涂层样品的导电性能,发现其都优于未涂覆涂层样品,并且其激活能与涂层和基体之间的界面层有关。
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