【正文】 mic Society， 1997， 17(8)： 1027—1031． 【 17】 Tietz Arul Raj I， Jungen w， Stover D． High—temperature superconducter materials for contactlayers in solid oxide fuel cell： I． Sintering behavior and physical properties at operating temperatureslJJ． Acta mater， 2020， 49： 803—810． 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 28 頁(yè) 28 附錄二 外文翻譯 外文翻譯一 (Fe)O3δ作為 SOFC合金連接體系保護(hù)涂層的作用效果 付長(zhǎng)瑾，孫克寧，周德瑞 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，黑龍江哈爾濱 150001) 摘要 ：工作溫度在 8000c以下的固體氧化物燃料電池可采用鐵素體不銹鋼SUS430(含 Cr16％～ 17％ (質(zhì)量分?jǐn)?shù) ))作為連接體材料，然而不銹鋼在高溫下極易發(fā)生氧化形成 Cr203和 Fe3O4等尖晶石相化合物，從而大大地降低了電池的性能。該公司還計(jì)劃在 2020年實(shí)現(xiàn) 25O～ 1000kW不同功率型號(hào)電池堆的商業(yè)化應(yīng)用。因此，怎樣抑制合金中 Cr成分的遷移仍是今后合金連接體材料技術(shù)開(kāi)發(fā)的重要課題。 由于采用在中溫下具有較高電導(dǎo)率的新 型電解質(zhì)材料及傳統(tǒng) YSZ電解質(zhì)的薄膜化工藝， SOFC的工作溫度可降至 800oC以下，則以耐高溫氧化合金材料代替陶瓷材料作為連接體也成為可能。因?yàn)?SOFC的運(yùn)行溫度很高，而且連接體一邊是氧化氣氛的氧氣或空氣，一邊是還原氣氛的燃料氣體，這就要求連接材料要有 很高的化學(xué)穩(wěn)定性。目前已經(jīng)知道的應(yīng)用領(lǐng)域有固定式大型電站、分散式電站、移動(dòng)式電源、輪船、艦艇等。是目前以碳基化合物 (如天然氣 )為燃料的燃料電池中發(fā)電效率最高的一種，其一次發(fā)電效率就達(dá)到 65％以上。噴涂過(guò)程中都是采用人工手動(dòng)操作，薄膜的厚度均勻性很難控制，建議以后采用本實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人按預(yù)先設(shè)定好的路徑進(jìn)行噴涂。 等離子噴涂噴槍也在不斷地改進(jìn)，大多主要是為了保證噴涂粉末被充分加熱和提高熔融粒子的噴射速度： 1)將噴嘴加長(zhǎng)，使射流的溫度和速度均勻化； 2)雙陰極等離子噴涂，可大大調(diào)整流速和熱焓； 3)三陰極等離子噴 涂，使粉末在邊緣處也被充分加熱； 4)氣體隧道等離子噴涂，通過(guò)渦流來(lái)形成一氣體隧道使等離子射流能量密度提高。 等離子噴涂自二十世紀(jì)五十年代以來(lái)，技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)應(yīng)用發(fā)展很快，自二十世紀(jì)六十年代等離子物理應(yīng)用于熱噴涂以來(lái)，等離子噴涂得到了飛速的發(fā)展，尤其是七十年代初期以后，其發(fā)展可以說(shuō)是突飛猛 進(jìn)。為了提高納米 LSM粉末的流動(dòng)性，利用聚乙烯醇對(duì)其進(jìn)行造粒。對(duì)比了噴涂前后 LSM粉體的成分與相結(jié)構(gòu)變化。二支點(diǎn)法測(cè)量連接板電導(dǎo)率裝置結(jié)構(gòu)如圖 ,實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖 。 而在噴涂 LSM 涂層時(shí)，由于其熔點(diǎn)較高（ 18800C），粒子發(fā)生部分熔化。從圖中可以看出薄膜呈“絮狀”結(jié)構(gòu)。在如此高的溫度下，有的粉末會(huì)發(fā)生成分燒蝕。試樣大小為：5cm*5cm*。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 10 頁(yè) 10 3. 等離子噴涂制備 SOFC 連接體材料保護(hù)涂層 前言 筆者 首先 制備出 LSM粉體作為噴涂材料 ， SUS430進(jìn)行基體表面清潔，除油除銹 ， 然后 采用九江等離子噴涂廠生產(chǎn)的 GP80型高能等離子噴涂設(shè)備先噴涂NiCr20粘結(jié)底層，然后噴涂 LSM保護(hù)薄膜。另一方面，等離子噴涂可以應(yīng)用于金屬陶瓷復(fù)合材料近凈成形。 圖 GP80型等離子噴涂 機(jī)外觀圖 系統(tǒng)最大使用功率為 80KW，最小使用功率為 10KW，電流最大速度可達(dá)3000M/S，熔化粉粒最大運(yùn)行速度達(dá) 605M/S，常用送粉量為 40－ 80 克 /分，最大送粉量達(dá) 250 克 /分。 等離子噴涂的特點(diǎn) 等離子噴涂具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 零件變形微?。煌ㄟ^(guò)控制噴涂工藝，可以使溫度控制在一個(gè)不改變基體金屬的材料學(xué)特性范圍內(nèi)。 本文研究?jī)?nèi)容 1) 了解 LSM作為 SOFC合金連接體系保護(hù)涂層的作用效果。澳大利亞的 機(jī)加工的方法將高鉻不銹鋼 (25w/o Cr,73w/o Fe,， 少量的 Si)加工成12xl2x5mm的板狀。隨著固體氧化物燃料電池的工作溫度的逐步降低，陶瓷材料有逐步被金屬連接板取代的趨勢(shì)。mol1) (KJ因此，國(guó)內(nèi)外許多研究者試圖通過(guò)摻雜改善 LaCr03的性能進(jìn)行了大量的研究工作。在室溫下 LaCr03為單斜相，在240290℃ 時(shí)由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樾绷骟w。 2) 電解質(zhì)： 固體氧化物燃料電池的心臟，其作用是在陰極與陽(yáng)極之間傳輸O2＋ 離子，另一個(gè)作用是將燃料與氧化劑分離 。燃料電池的原理見(jiàn)圖 。 筆者將于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中研究 空氣等離子噴涂的工藝參數(shù) ， 探索 噴涂 LSM 保護(hù)最佳薄膜的最佳工藝 條件，主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)施： 首先，查閱文獻(xiàn)，了解 等離子噴涂設(shè)備 的 工藝參數(shù) 。 涂層與基體以及電池其它部件熱膨脹系數(shù)的 不同將會(huì)在材料中產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致連接板發(fā)生翹曲，最后導(dǎo)致電池堆發(fā)生災(zāi)難性失效。 關(guān)鍵詞： 等離子噴涂、固體氧化物燃料電池 、 金屬連接板 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 II 頁(yè) II Abstract As an energy conversion device, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) has arisen high attention from the world for its high efficiency and low pollution. Plasma spray, which is not limited by base39。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 I 頁(yè) I 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 等離子噴涂法制備 SOFC 連接體材料保護(hù)涂層 摘要 ： 作為高性能固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵組件之一 —— 連接板主要起著在相鄰的電池之間傳輸電子和分隔燃料與相鄰電池氧化劑的作用，金屬連接板以其低成本的優(yōu)勢(shì)成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。s size or material, has clear advantage in fast and lowcost preparation of SOFC ponent. So, study on preparation of SOFC ponent by plasma spray, in this article, has important social and actual economic purports to our national future energy resource and sustainable development strategy. With reduction of SOFC39。金屬合金的熱膨脹系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整金屬中各成分的含量，使金屬合金的熱膨脹系數(shù)與固體氧化物電池的其它部件相匹配。 其次，尋找 出 PVA 和 LSM 粉末的 最 佳配比 。 其反應(yīng)式為： 陽(yáng)極氧化反應(yīng)： 【 R】 【 R】 ++ e 陰極還原反應(yīng)： 【 R】 ++【 O】 + e【 W】 . 燃料電池的分類 燃料電池的分類方法很多，可以按工作溫度、電解質(zhì)類 型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所用燃料的不同及應(yīng)用分類。 3) 陽(yáng)極： 燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的場(chǎng)所。大約在 1000℃ 時(shí)，氧化物 的斜六面體轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅谓Y(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到大約 16500C時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较唷Ｖ饕獡诫s元素有 Ca, Al, Co和 Sr等。mol1目前，連接板的制備方法有 :燒結(jié)法、電化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子噴涂等。 日本的 Tomasz Brylewski等人選用 SUS430不銹鋼 (Nippon Steel, Japan)作連接板。 2) 以 LSM為原材料， 利用空氣等離子噴涂技術(shù)制備 SOFC連接體材料。 2) 涂層的種類多；由于 等離子射流溫度很高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂使用的材料非常廣泛，既可以噴涂低熔點(diǎn)金屬和金屬合金，還可以噴涂各種難熔材料，例如陶瓷等。噴涂時(shí)采用外送粉。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 9 頁(yè) 9 等離子噴涂的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括 :功率、粉末尺寸、送粉量 、噴涂速率、氣體流量，噴槍行走速度、噴距等。 最后，通過(guò) SEM、 X射線衍射、 二 支點(diǎn)法 電導(dǎo)率測(cè)試儀 等測(cè)定薄膜 表面形貌 、電導(dǎo)率和相成分等。 表面處理 噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理，以增加其表面粗糙度、提高基體的活性和預(yù)先在基體上形成壓應(yīng)力、提高薄膜與基體的結(jié)合力。本文將原始粉末與噴涂薄膜的成份進(jìn)行了 XRD對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)噴涂前后粉末的衍射峰的強(qiáng)度、寬度和位置均沒(méi)有 發(fā)生變化。 等離子射流是一種快速流動(dòng)的高溫流體，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)粉末材料被粉氣送入等離子射流中時(shí)，等離子射流會(huì)對(duì)粉末顆粒產(chǎn)生加熱、加速作用。在同基體碰撞時(shí)，粒子首先發(fā)生彈性變形，但是 LSM 的塑性相對(duì)較差，彈性變形比較小，而沒(méi)有鋪展形成圓盤(pán)狀。連接板在空氣中， 130－ 1800C條件下的電導(dǎo)率，見(jiàn)圖 。二支點(diǎn)法測(cè)量了有與無(wú) LSM保護(hù)膜時(shí)，金屬連接板的電導(dǎo)率。 (2)為了提高 LSM薄膜同基體 SUS430鐵素體不銹鋼之間的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂 LSM之前，噴涂 NiCr20粘結(jié)底層。從空氣等離子噴涂和水穩(wěn)等離子噴涂發(fā)展到真空等離子噴涂以及后來(lái)的超音速等離子噴涂和反應(yīng)等離子噴涂、微束等離子噴涂等。 針對(duì)噴涂粉末和等離子噴涂處理過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬并對(duì)其實(shí)行智能化控制。此外，有關(guān)送粉量的精確控制、薄膜中導(dǎo)通孔隙測(cè)定等許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究。 (2)燃料使用面廣。 固體氧化物燃料電池 (SOFC)是一種全固態(tài)的燃料電池體系，與其他諸如 AFC，PAM， MCFC燃料電池相比，不存在電解液的流失與腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)化效率高，是目前燃料電池研 究中的熱點(diǎn)。 (3)材料要致密。目前，用作連接體的合金材料主要有 Ni基合金、Cr基合金和 Fe基合金。 2．等離子噴涂的基本原理及其特點(diǎn) 等離子噴涂是一種高能加工工藝，既可用于零件表面強(qiáng)化，又可 近凈成形直接制造零件。用 LaCrO3 基陶瓷作連接材料的制作成本太高，這嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化的進(jìn)程。本研究的主要目的是通過(guò)空氣等離子噴涂 (APS)(LSM20) 和La (LSF20)保護(hù)性涂層來(lái)降低合金的氧化生長(zhǎng)速率，尤其是減少 Cr203相的生長(zhǎng)。在800℃ 空氣中進(jìn)行了熱震實(shí)驗(yàn)，經(jīng) 50次循環(huán)， LSM20和 LSF20涂層合金十分穩(wěn)定，而 SUS430合金氧化層表現(xiàn)出明顯地剝落和失重現(xiàn)象。未來(lái)對(duì)連接材料的研究重點(diǎn)應(yīng)在以下幾個(gè) 方面： (1)開(kāi)發(fā)新的連接材料。它是指以等離子射流為熱源，將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，并將該狀態(tài)的噴涂材料通過(guò)高速氣體霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種表面加工方法。合金連接體材料作為單體電池間的橋梁 ,不但要求其具有較好的抗氧化性能，而且要求其熱膨脹性能與電池的其他部件相匹配。 (4)在工作溫度范圍內(nèi)，連接材料的熱膨脹率要和電池其它部件材料的熱膨脹率相匹配。傳統(tǒng)的連接體材料主要是摻雜的 LaCrO3 陶瓷， LaCrO3 陶瓷的主要缺點(diǎn)是燒結(jié)性能較差，通常需要在 1600 ℃ 以上燒結(jié)成瓷，而且陶瓷材料的機(jī)械加工性能較差 ，其成本通常占電池成本的 70％左右，目前中低溫 SOFC(600oC一 800oC)是固體氧化物燃料電池的發(fā)展方向，電池在此溫度區(qū)間工作，可采用耐高溫合金材料作為電 池 堆的連接體材料。 (3)余熱利用價(jià)值高。一 xMxO，的電性能研究 [J]．吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 7(3)： 55—58． 【 25】 王文，張海鷗，王桂蘭．固體氧化物燃料電池連接板材料和制備工藝 [J]．能源研究與信息， 2020， 3(18)： 178—184． 【 26】 周輝，任小華，蔣文全．等．制備工藝對(duì)球形氫氧化鎳結(jié)構(gòu)和性能的影響 ．電源技術(shù)， l999， 23(3)： 67—69． 【 27】 蔣洪壽，張吳．氫氧化鎳電極制備工藝的研究 [J]_電源技術(shù) ， 2020， 24(5)： 267—270． 【 28】 鄧曉燕，葛曉萍，王蔭東．循環(huán)伏安法研究添加劑對(duì)鎳電極的影響 ．青島化工學(xué)院學(xué)報(bào)， 2020， 22(4)： 339 【 29】 沈承，曹廣益，朱新堅(jiān) .綠色 “火力 ”發(fā)電廠一面向 21世紀(jì)的燃料電池 .中國(guó)能源 .2020. 【 30】 沈承，曹廣益，朱新堅(jiān) .熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電廠的應(yīng)用展望 .華東電力 .2020,4:16 【 31】 于興文，黃學(xué)杰，陳立泉 .固體氧化物燃料電池研究進(jìn)展 .電池 .2020, 32(2):110112 【 32】 王風(fēng)娥 .質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用新進(jìn)展 .電源技術(shù) .2020,26(5):383387 【 33】 杜