SOFC金属连接体Y改性NiFe2O4尖晶石涂层的制备与性能研究

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随着固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度的降低,使得金属连接体的使用成为可能。与陶瓷连接体相比,金属连接体具有成本低廉和易于加工等优势,其中,Fe-Cr系合金由于与SOFC其他组件的热膨胀系数相匹配,作为SOFC连接体材料备受关注。但在SOFC工作环境下,Fe-Cr系合金连接体易发生高温氧化,加剧Cr挥发,进而引起“Cr中毒”等不良后果,使电池的性能降低。目前,主要采用在合金表面施加保护涂层的方法来改善上述问题。尖晶石涂层因其具有良好的综合性能,成为广大科研人员研究的热点,然而在SOFC工作过程中,尖晶石涂层与基体间的含Cr过渡氧化层不断增长,使涂层的结合力下降,导致连接体材料导电性能降低,进而影响电池的性能。研究发现,在部分尖晶石涂层材料中添加少量的稀土元素,会增加涂层与基体间的结合强度,减少含Cr的过渡氧化层厚度,有效改善连接体材料导电和抗氧化性能,但对于稀土元素在改善Ni-Fe系尖晶石涂层方面的研究相对较少。本文主要从降低成本的角度出发,首先采用溶胶-凝胶法制备Y掺杂NiFe2O4尖晶石粉体材料,然后在Fe-Cr合金表面采用电泳沉积工艺制备Y改性NiFe2O4尖晶石保护涂层,并讨论了稀土Y改性对涂层结构形貌、物相组织、高温抗氧化性能和导电性能的影响规律以及相关作用机理。得出以下结论:(1)采用硝酸镍、硝酸铁和硝酸钇为原料,柠檬酸为配体,溶液pH=5,搅拌温度为75℃,搅拌时间2 h,转速600 r/min,干燥温度为80℃干燥24 h,稀土Y掺杂量在0.5 mol·L-1时,800℃下烧结3 h可以获得物相稳定、结晶度较好的稀土Y改性的NiFe2O4尖晶石陶瓷粉末颗粒;(2)悬浮液基为乙酰丙酮,尖晶石粉末装载量为40 g·L-1,核电调节剂浓度为0.8mmol·L-1配制的悬浮液稳定性较好;沉积电压150 V,沉积时间150 s,经80℃下干燥24 h后,先在还原气氛炉中800℃煅烧3 h,再在空气气氛炉1100℃煅烧3 h,得到均匀致密且过渡氧化层厚度较小的尖晶石涂层;(3)添加稀土Y元素能够有效地细化晶粒,改善涂层的致密度,使涂层和基体之间结合更加紧密。施加稀土改性的涂层试样,经800℃循环氧化168 h后氧化速率常数Kw为7.55×10-4mg2·cm-4·h-1;ASR值稳定在15.4 mΩ·cm2,明显低于未改性时的16.6mΩ·cm2
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