新型陶瓷/金属双相固体氧化物燃料电池连接体的复合机理研究

固体氧化物燃料电池（SOFC）连接体材料由于使用环境苛刻、制备工艺复杂，现在已成为严重制约SOFC发展的技术瓶颈。本课题基于对新型陶瓷基连接材料的研究基础，以性能优良的新型LaCrO3基连接材料取代现在常用的阴极材料来作为金属连接体的涂层材料，具有耐氧化还原双重气氛、纯电子电导、可以发展低成本的共烧技术等众多技术优势。从研究新型陶瓷连接材料与Fe-Cr金属连接体的匹配性能及界面结合微观机理入手，对陶瓷连接材料进行设计改性，研究通过等离子喷涂、共烧等工艺手段在合金连接体上制备新型致密陶瓷薄膜。通过XRD、EDS、SEM、热膨胀、电导率测量等多种表征手段对金属/陶瓷复合连接体及界面的化学成分、相组成、电子传导性能、高温氧化腐蚀行为、热物理性能等进行研究表征，探索微观结构与性能间的内在规律，获得性能优良的新型复合连接体，为SOFC早日产业化提供理论和实践依据。

当前，固体氧化物燃料电池 (SOFC)陶瓷连接材料存在着两个严重缺点：一是电导率较低，不适于发展中温操作的电池堆系统；二是致密化烧结温度高，很难发展低成本的阳极支撑体共烧技术。本研究探索发展高性能、低成本的陶瓷连接材料及其薄膜化制备技术，从材料设计改性开始，侧重陶瓷连接材料薄膜的致密化制备工艺及成膜机理研究，取得了一系列令人满意的研究进展。本研究在对迄今文献报导的性能最佳的陶瓷连接材料La0.7Ca0.3CrO3−δ （LCC）的深入研究基础之上，通过控制非化学计量（Cr 缺位）得到具有最优化的综合性能的连接材料La0.7Ca0.3Cr0.97O3−δ（LCC97）。为了改善连接体薄膜与支撑体之间的共烧匹配性能，首先从支撑体的设计改性出发，设计了具有良好综合性能的新型复合材料NiO/LCC97作为管式SOFC的支撑体，共烧获得了致密连接体薄膜。为了改善传统NiO/YSZ阳极与LaCrO3基连接材料的共烧匹配性能，将与YSZ化学性质稳定的Y0.7Ca0.3Cr0.9Zn0.1O3−δ (YCCZ) 连接材料创造性的引入到NiO/YSZ阳极中，制备具有优良的综合性能的NiO/YSZ/YCCZ三相复合阳极。采用共烧工艺，在该复合阳极支撑体上成功制备了LCC97致密连接材料薄膜，为YSZ基SOFC致密连接材料的低成本制备找到了一条切实可行的工艺路径。研究表明CeO2是 LCC连接材料的一种性能优良的烧结助剂，以中温SOFC阳极NiO/SDC为支撑体，采用双层共烧工艺成功获得致密的连接体薄膜。该工艺是一种具有广阔发展前景的中低温SOFC致密连接体薄膜制备技术。对于目前开发商普遍关注和采用的 YSZ 基 SOFC体系，铬酸镧基连接材料难以满足热力学稳定性的要求，因而创新设计了一种 Sr、Zn 共掺的 YCrO3 连接材料。该材料在高温下化学稳定性高，可以在电池共烧温度下致密化烧结，是一种性能优良的适用于 YSZ 基 SOFC的连接材料。为了克服连接材料与YSZ基SOFC阳极间的共烧匹配性问题，将LCC97引入到NiO/YSZ阳极中，制备NiO/YSZ/LCC97三相复合阳极，结果表明该新型复合阳极具有优良的综合性能。以NiO/YSZ/LCC为支撑体三层共烧，成功获得致密LCC连接体和YSZ电解质薄膜。该研究结果为解决长期困扰SOFC电池堆发展的连接材料制备难题找到一条有效途径