固体燃料电池中连接体可由合金材料代替为原来的陶瓷材料是因为电池在设计上得到了充分的优化且电解质性能提升、连接体厚度降低。并且SOFC本身的工作温度由于技术提高可由原来的1000℃降至现在的800℃以下。连接体作为SOFC的重要组件之一,主要起到的作用是隔离两个单电池阴极中的氧气和阳极中的氢气,但同时还要具有导电和导热的功效。目前广泛使用的SOFC连接体材料中,主要使用的大致分为LaCrO3系列陶瓷和Cr系合金[11-12]。而目前技术进展的重要方向也是最被看好前景的方法就是本文提到的含稀土元素的Fe合金及合金涂层。86495

从连接体必备的各项特征分析如下:

热膨胀特征:由于连接体在高温下工作时需要与燃料电池中其他组件相互配合,因此其热膨胀系数最好与电池中电解质、电极材料的热膨胀系数接近。通常情况下合金的热膨胀系数较高,因此在开发过程中需进行调整。

导电特性:SOFC连接体需要具备在高温工作环境中可以维持很高导电性的特征。同时其导电率数量级也应较高。论文网

耐氧化特征:在高温工作条件下,合金表面不可避免的会发生氧化反应生成氧化物,影响其导电性能及固体燃料电池的正常工作寿命[13]。因此作为连接体合金材料的抗氧化性非常重要。并且合金连接体也应具有一定耐硫化性与耐碳性,以适应当多种成分的混合气体作为燃气时的工作要求。

热传导特征:有数据显示固体燃料电池导热系数应不低于5Wm-1K-1。这一点上合金显然相比于陶瓷材料具有优势。使用导热性能较好的连接体有助于电池内部热循环。

机械强度特性:连接体在高温工作条件下必须具有足够的强度和耐蠕变能力。且在部分SOFC中,连接体本身也起到支撑结构的作用。

化学稳定性:连接体这一组件由于长时间在高温条件下与阴极、阳极接触。因此除了必须具有化学稳定性,还不能与阴极阳极表面材料相互扩散。否则将在接触面生成中间体,增加接触电阻。

热化学稳定性:金属连接体在高温工作时,会在表面产生具有挥发性的+6价Cr化合物,在阴极还原成Cr2O3。析出的Cr2O3为固态,影响电池正常电化学反应,降低电池性能。所以,有必要开发新性能合金或在合金表面进行如覆盖合金涂层等表面处理。

经济性:从商业化角度来看,陶瓷与高性能合金作为SOFC连接体价格稍昂贵,在合金基体表面覆盖高性能合金涂层可最大降低成本。并且这种方法具有易生产和加工的两大优势[14]。

对比连接体各项必备特征可以发现,合金连接体比陶瓷连接体在生产成本、电导性、加工性、导热性等方面具有优势,但在其他方面还存在问题尚待解决。随着平板型SOFC关联技术的发展,合金材料代替陶瓷作为连接体材料的研究也在逐步发展,并促进着SOFC的普遍化进程[15]。为解决高温工作环境下含Cr合金的Cr挥发并生成氧化物增加电阻等难题,改进基体表面合金涂层、开发新型合金材料将是连接体材料研究的重要方向。

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