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新型中温SOFC连接体TaC/Ni-Ta复合材料的原位制备与性能优化研究

批准号:
52101177
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
齐倩
依托单位:
学科分类:
金属基复合材料与结构功能一体化
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
齐倩

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
连接体是固体氧化物燃料电池(SOFC)的关键部件之一,常用的中温SOFC金属连接体有热膨胀系数不匹配与铬中毒的缺点,严重降低电池堆的运行效率,急需开发新型连接体材料。基于此,本项目提出热膨胀系数可调且不含铬的TaC/Ni-Ta复合材料,并围绕其原位制备和性能优化展开研究。首先,采用无压反应烧结法制备TaC/Ni-Ta复合材料,结合物相演变过程和收缩曲线,探明原位反应机理及烧结制度以制备致密复合材料;进而分析其中温热膨胀、抗氧化与导电性能,根据膨胀系数与Ni含量关系,明确Ni含量范围,结合氧化动力学曲线、氧化膜结构、电导率曲线与电导激活能,揭示其氧化机制与导电机理;在此基础上,通过引入CeO2及调控粒径分布优化复合材料的中温抗氧化和导电性能,并阐明二者的协同作用机制,最终制得具有合适热膨胀系数,强抗氧化与高电导的TaC/Ni-Ta复合材料,为新型中温SOFC连接体的制备和性能优化提供参考。
英文摘要
Interconnect is one key component of solid oxide fuel cell (SOFC). However, the commonly used metallic interconnects of intermediate temperature SOFC have two disadvantages, i.e., coefficient of thermal expansion mismatch and chromium poisoning, which cause serious degradation of operation efficiency of SOFC. Therefore, it is urgent to explore new kinds of interconnects materials. On this basis, TaC/Ni-Ta composite with adjustable coefficient of thermal expansion and no chromium is proposed in this project, and the in-situ preparation and properties optimization of composite will be studied. Firstly, TaC/Ni-Ta composite is fabricated by pressureless reactive sintering. The in-situ reaction mechanism and sintering schedule are obtained by analyzing the phases evolution process and shrinkage curve, in order to prepare the dense composites. Then, the intermediate temperature thermal expansion, oxidation resistance and electrical conductivity of composites are investigated. The range of Ni content is confirmed by analyzing the relation between coefficient of thermal expansion and Ni content. The oxidation mechanism of TaC/Ni-Ta composites is revealed by analyzing the oxidation kinetics curve and oxide scale structure. Meanwhile, the conducting mechanism of composites is illustrated by analyzing the electrical conductivity curve and conductivity activation energy. Based on this, the oxidation resistance and electrical properties of TaC/Ni-Ta composites will be optimized by adding CeO2 and regulating the particle size distribution. Moreover, their synergistic effect mechanism will also be clarified. Lastly, the TaC/Ni-Ta composites with suitable coefficient of thermal expansion, excellent oxidation resistance and high electrical conductivity will be prepared, which can provide reference to the preparation and properties optimization of new kinds of intermediate temperature SOFC interconnects.
连接体是固体氧化物燃料电池(SOFC)的关键部件之一,常用的中温SOFC金属连接体有热膨胀系数不匹配与铬中毒的缺点,严重降低电池堆的运行效率,急需开发新型连接体材料。基于此,本项目提出热膨胀系数可调且不含铬的TaC/Ni-Ta复合材料,并围绕其原位制备和性能优化展开研究。首先,采用无压反应烧结法制备TaC/Ni-Ta复合材料,研究其原位反应机理及烧结制度;进而分析其中温热膨胀、抗氧化与导电性能,明确Ni含量范围,研究其氧化机制与导电机理;研究CeO2及粒径分布对复合材料中温抗氧化和导电性能的影响规律。项目研究发现复合材料的原位反应机制是随着温度升高,Ni、Ta和C的扩散能力提高,TaC通过C在Ta中的扩散和Ni3Ta中的反应[Ta]+[C] =TaC形成,Ni0.9Ta0.1由Ta在Ni中的扩散和Ni3Ta的转化形成,最佳的烧结温度为1380 ℃。其次,发现Ni含量为50 vol.%的复合材料热膨胀系数为10.7×10 −6 K−1,可以满足SOFC连接体的要求。复合材料的氧化机制为:TaC和Ni-Ta与空气中的O反应生成TaO2、Ta2O5和NiO,氧气沿着TaC和Ni-Ta之间的界面向内扩散,溶解在TaC中取代C,生成Ta(C, O),且TaO2和Ta2O5较大的PBR导致其向外生长,在表面形成突起和裂缝,使氧气进一步渗入基体,在氧化膜下形成NiO、Ta2O5、TaO2和NiTa2O6,最终氧化膜主要被NiTa2O6占据,并形成了大量的孔隙和裂缝,无法有效阻止氧气的向内扩散。复合材料的氧化动力学曲线呈现线性关系,氧化过程主要由氧气内扩散所控制。由于氧化膜的形成,使复合材料的高温电学性能主要由电阻较高的氧化膜所控制,NiO、Ta2O5、TaO2和NiTa2O6均为半导体材料,因此,通过降低氧化膜厚度可以有效提高复其高温电导率。添加CeO2后,CeO2溶解产生的Ce主要分布在Ta氧化物中,阻碍了Ni和Ta的外扩散,提高了复合材料的抗氧化性能,随着CeO2含量增加到2 wt.%,复合材料的ASR从0.27 Ω·cm2降低到0.181 Ω·cm2,复合材料的电学性能提高。TaC粒径降低有利于提高复合材料的抗氧化性能,进而在复合材料表面形成较薄的氧化膜,提高其电学性能。该项目为新型中温SOFC连接体的制备和性能优化提供参考。
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