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固体氧化物燃料电池金属连接体防护涂层研究进展

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表面技术 2022年第4期51卷 14-23,103页

作者：江舟文魁刘太楷董勇邓畅光刘敏广东工业大学材料与能源学院广州510640 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510650 广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650

铁素体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性、高电导率、高热导率等诸多优异性能,是常用的中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)用连接体材料,但是含Cr不锈钢在600~800℃的SOFC工作温度下存在高温氧化带来的界面电阻增大、Cr元素毒化阴极等问题。从... 详细信息

铁素体不锈钢因具有良好的耐腐蚀性、高电导率、高热导率等诸多优异性能,是常用的中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)用连接体材料,但是含Cr不锈钢在600~800℃的SOFC工作温度下存在高温氧化带来的界面电阻增大、Cr元素毒化阴极等问题。从连接体材料、防护涂层种类及其制备方法出发,简述了金属连接体材料的选择和Cr毒化阴极机理,重点阐述了活性元素氧化物涂层、稀土钙钛矿涂层以及尖晶石涂层对连接体的保护作用和近些年新的研究进展,并归纳了SOFC金属连接体表面涂层常用的制备方法和特点。介绍了稀土元素氧化物涂层对合金氧化膜的影响机制和应用局限性。总结了La_(1–x)Sr_(x)CrO_(3)、La_(1–x)Sr_(x)CoO_(3)、La_(1–x)Sr_(x)MnO_(3)等常用钙钛矿涂层的优势和不足,并分析了掺杂对钙钛矿涂层性能的影响。重点综述了过渡金属元素掺杂、稀土元素掺杂对Mn-Co、Cu-Mn尖晶石涂层电导率、热膨胀系数匹配性、涂层结合情况等的影响,元素掺杂在一定程度上可以改善涂层的电导率和提高阻Cr效果,但是仍需要进一步研究掺杂量、长期稳定性等问题。最后,对金属连接体防护涂层存在的问题和今后研究工作的重点作出了展望。

关键词：铁素体不锈钢固体氧化物燃料电池涂层毒化阴极掺杂电导率

固体氧化物燃料电池氧化钇稳定氧化锆电解质的等离子喷涂制备及性能

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硅酸盐学报 2022年第7期50卷 1929-1935页

作者：杜柯宋琛余敏陈丹郭宇刘太楷杨成浩刘敏广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650 西南交通大学材料科学与工程学院成都610031 华南理工大学环境与能源学院广州510006

金属支撑型固体氧化物燃料电池极具应用前景,但缺少高性价比制备技术。采用高效率、低成本大气等离子喷涂(APS)在金属基体上制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质,研究加热基体条件下沉积粒子形貌与涂层结构间的联系,并评估电解质的力学... 详细信息

金属支撑型固体氧化物燃料电池极具应用前景,但缺少高性价比制备技术。采用高效率、低成本大气等离子喷涂(APS)在金属基体上制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质,研究加热基体条件下沉积粒子形貌与涂层结构间的联系,并评估电解质的力学性能和电池性能。结果表明:加热后的基体上,YSZ沉积粒子铺展充分,片层内存在微裂纹,导致结构中除未结合区域外还存在垂直裂纹,涂层孔隙率为7.16%,YSZ纳米压痕硬度和弹性模量分别为(13.0±1.0) GPa和(188.5±2.6) GPa。受电解质不致密的影响,APS沉积的YSZ单电池最高开路电压为0.97 V,致密度还需进一步提高,但电池输出性能可观,900℃峰功率密度为850 mW/cm^(2)。随着设备迭代优化或结合后处理工艺,APS有望实现致密YSZ电解质的大规模低成本制备。

关键词：固体氧化物燃料电池氧化钇稳定氧化锆大气等离子喷涂电解质

低膨胀铸铁的线膨胀特性与工艺性能的试验研究

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铸造 2007年第9期56卷 934-937页

作者：姜磊杨弋涛李晓辉刘太楷邵光杰上海大学材料科学与工程学院上海200072

围绕低膨胀铸铁开展的试验研究内容主要包括Ni元素以及加工工艺(热处理工艺和铸造工艺)与低膨胀铸铁线膨胀特性之间关系的研究。结果表明,低膨胀铸铁试样在含Ni量在34%左右具有最低的线膨胀系数,正确的热处理工艺还能进一步降低其线膨... 详细信息

围绕低膨胀铸铁开展的试验研究内容主要包括Ni元素以及加工工艺(热处理工艺和铸造工艺)与低膨胀铸铁线膨胀特性之间关系的研究。结果表明,低膨胀铸铁试样在含Ni量在34%左右具有最低的线膨胀系数,正确的热处理工艺还能进一步降低其线膨胀系数。此外,低膨胀铸铁也反映了较好的铸造成型性能。

关键词：低膨胀铸铁 Ni 热处理铸造工艺

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基于3D打印技术的甲烷水蒸气重整研究

材料导报 2024年第10期38卷 40-48页

作者：李聪余冉刘太楷邓春明邓畅光刘敏长沙理工大学能源与动力工程学院广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室佛山桃园先进制造研究院

天然气（主要成分为甲烷）重整是天然气高效清洁利用的重要途径，重整获得富含氢气的重整气，可供固体氧化物燃料电池进行高效发电。甲烷水蒸气重整需要反应器以及负载其上的重整催化剂，基于3D打印技术的多孔结构具有良好的耐高温、抗... 详细信息

天然气（主要成分为甲烷）重整是天然气高效清洁利用的重要途径，重整获得富含氢气的重整气，可供固体氧化物燃料电池进行高效发电。甲烷水蒸气重整需要反应器以及负载其上的重整催化剂，基于3D打印技术的多孔结构具有良好的耐高温、抗氧化和结构稳定性等特点，负载Ni基催化剂用于甲烷催化重整可有效提升反应器稳定性，但相关研究较少。采用浸渍法将Ni-CeO2/γ-Al2O3催化剂负载于3D打印制备的多孔结构和金属泡沫反应器，通过催化剂形貌、分布规律、相结构以及热稳定性的表征，研究了重整反应温度、浆料配比、反应器结构等因素对甲烷水蒸气重整效果的影响。结果显示，催化剂的最佳配比是PVA含量为3.5%（若无特殊说明，均为质量分数）,Ni含量为19%,CeO2和γ-Al2O3的含量分别为16%和2.5%。重整测试结果表明，负载催化剂前，重整反应温度低于700℃时，Inconel625和泡沫Ni多孔反应器重整得到的氢气浓度均低于13%（体积分数）,而重整反应温度高于800℃时，Inconel625和泡沫Fe多孔反应器重整效果接近，但Inconel625稳定性优于泡沫Fe;负载催化剂后，NCA-I（Inconel625）样品始终表现出低于NCA-N（泡沫Ni）和NCA-F（泡沫Fe）的重整性能，这主要是因为NCA-I含有较多的Cr元素，高温下Cr氧化生成Cr2O3氧化膜，阻碍了反应气和Ni的接触，但测试后NCA-I样品表现出优异的稳定性，无明显脆化和断裂现象，可有效提升重整反应器的稳定性。

关键词：甲烷水蒸气重整反应器催化剂 Ni-CeO2/γ-Al2O3 3D打印

大气等离子喷涂及固相反应法制备MnCoCu金属连接体防护涂层

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表面技术 2024年第2期53卷 175-183页

作者：杨壮壮刘太楷文魁宋琛张留艳邓畅光邓春明刘敏广东工业大学材料与能源学院广州510640 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510650 广东省科学院新材料研究所广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650

目的锰钴尖晶石涂层可有效抑制金属连接体高温氧化、降低固体氧化物燃料电池(SOFC)性能衰减,但其成本较高,电性能和稳定性也需进一步提升。方法本文拟采用大气等离子喷涂技术(APS)和固相反应法以金属粉末制备高电导率尖晶石涂层。通... 详细信息

目的锰钴尖晶石涂层可有效抑制金属连接体高温氧化、降低固体氧化物燃料电池(SOFC)性能衰减,但其成本较高,电性能和稳定性也需进一步提升。方法本文拟采用大气等离子喷涂技术(APS)和固相反应法以金属粉末制备高电导率尖晶石涂层。通过Cu元素的添加,在尖晶石涂层中引入高电导率的铜锰尖晶石相,获得高电导率尖晶石涂层,并通过对涂层的相组成、表面截面形貌、元素分布、电性能等物性的表征,揭示Cu添加量及固相转变条件对尖晶石涂层性能的影响规律。结果 800℃热处理后涂层明显致密化、均匀化,涂层主相为Cu_(x)Mn_(3-x)O_(4)(x=1,1.2,1.4)和MnCo_(2)O_(4);在基体和涂层的界面处存在Cr富集,800℃氧化10h后,含Cu量12%(质量分数)的试样面比电导最高;氧化100h后,面比电导有所下降,含Cu量12%(质量分数)试样仍具有最高的面比电导;经过还原的试样面比电导明显低于未还原样品,其原因在于还原过程中Cr元素产生扩散,氧化后生成了较多的低电导率相。涂层导电性随Cu含量的增加而增大,800℃时Cu含量为12%(质量分数)的样品电导率可达93.15S/cm。结论尖晶石涂层可通过APS制备的金属涂层经热处理后获得;涂层的相组成可以通过金属粉末成分进行调控;Cu的添加有效提高了涂层的电导率,且随Cu含量的增加而增大;经还原处理后的涂层更加致密,但导电性低于未还原样品。

关键词：大气等离子喷涂连接体防护尖晶石涂层 MnCoCu涂层电导率

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板坯结晶器内钢液非均匀流的数值模拟

过程工程学报 2010年第S1期10卷 195-200页

作者：刘太楷张小伟王治国邓康任忠鸣上海大学材料学院上海现代冶金与材料制备重点实验室上海200072

利用Fluent软件,对板坯连铸结晶器内钢液流态进行数值模拟,研究了拉速对结晶器中随机偏流的影响.结果显示,拉速的改变会明显改变结晶器流场,拉速越大,水口出流,左右两侧出流越趋于不均匀,其两边液面回流的流速和流量偏差越大,自由液面... 详细信息

利用Fluent软件,对板坯连铸结晶器内钢液流态进行数值模拟,研究了拉速对结晶器中随机偏流的影响.结果显示,拉速的改变会明显改变结晶器流场,拉速越大,水口出流,左右两侧出流越趋于不均匀,其两边液面回流的流速和流量偏差越大,自由液面波动加剧,易在水口浇管周围出现漩涡.

关键词：板坯连铸结晶器非均匀非对称非稳定

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碱式电解水非贵金属阴极材料研究进展

太阳能学报 2023年第10期44卷 572-579页

作者：王俊如刘太楷宋嘉薇王先彬邓春明王寅霄沈阳工业大学材料科学与工程学院沈阳110870 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510650 佛山桃园先进制造研究院佛山528000

碱式电解水是最成熟的电解水制氢技术,由于采用非贵金属催化剂,因此成本较低,已被广泛应用。但非贵金属催化剂的采用,导致其电解效率和工作电流密度偏低,限制了其发展和应用。因此本文主要综述了通过氮化、磷化、硫化以及合金化,有效提... 详细信息

碱式电解水是最成熟的电解水制氢技术,由于采用非贵金属催化剂,因此成本较低,已被广泛应用。但非贵金属催化剂的采用,导致其电解效率和工作电流密度偏低,限制了其发展和应用。因此本文主要综述了通过氮化、磷化、硫化以及合金化,有效提高元素催化活性,从而获得高性能催化材料的方法。而应用密度泛函理论可对催化材料进行设计,更加高效便捷的获得高活性催化材料。最后,对碱式电解水非贵金属阴极材料的未来发展方向做出了总结。

关键词：过渡金属催化剂析氢反应制氢碱式电解水材料设计

沉积温度对等离子喷涂金属支撑型固体氧化物燃料电池结构及电化学性能的影响

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材料导报 2022年第S1期36卷 15-19页

作者：陈丹宋琛杜柯郭宇刘志义刘太楷刘敏中南大学材料科学与工程学院长沙410083 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650

为提高大气等离子喷涂(APS)制备金属支撑型固体氧化物燃料电池在中低温下的输出性能,本工作采用APS在不锈钢基体上制备基于氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)电解质的固体氧化物燃料电池,控制喷涂时的沉积温度分别为100℃、300℃和600℃,通过扫描... 详细信息

为提高大气等离子喷涂(APS)制备金属支撑型固体氧化物燃料电池在中低温下的输出性能,本工作采用APS在不锈钢基体上制备基于氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)电解质的固体氧化物燃料电池,控制喷涂时的沉积温度分别为100℃、300℃和600℃,通过扫描电子显微镜(SEM)观察单个ScSZ粒子沉积状态和涂层微观形貌,并用电化学工作站测试单电池的输出性能和交流阻抗谱。结果表明,随着沉积温度升高,ScSZ沉积粒子由溅射状铺展转变为圆盘状铺展,单个粒子中的裂纹密度逐渐减小,裂纹所占面积比从9.75%降低到5.73%。组装成单电池后,电解质涂层与阳极和阴极结合良好。ScSZ涂层内部片层结合情况随沉积温度的升高而得到改善,裂纹减少且孔隙尺寸减小,涂层孔隙率从12.29%降低到7.72%。电化学测试结果表明,当沉积温度从100℃升高到600℃,电解质的欧姆电阻降低了1/2,电池的输出性能显著提升。600℃的沉积温度制备的单电池在800℃时的最大功率密度为0.998 W/cm^(2),欧姆阻抗为0.076Ω·cm^(2)。

关键词：金属支撑固体氧化物燃料电池大气等离子喷涂沉积温度氧化钪掺杂氧化锆电解质涂层

大气等离子喷涂制备梯度多孔电极及其碱式电解水性能研究

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表面技术 2022年第11期51卷 423-435页

作者：宋嘉薇王先彬姜欣格刘太楷张楠楠宋琛邓畅光邓春明刘敏沈阳工业大学材料学院沈阳110870 广东省科学院新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广州510650

目的探索电极的梯度多孔结构对碱式电解水析氢性能的影响。方法采用大气等离子喷涂工艺制备不同Al含量的涂层,经化学腐蚀后,得到单一多孔电极和梯度多孔电极。通过SEM/EDS、XPS、XRD和工业CT对样品微观形貌、元素价态、物相等进行表征... 详细信息

目的探索电极的梯度多孔结构对碱式电解水析氢性能的影响。方法采用大气等离子喷涂工艺制备不同Al含量的涂层,经化学腐蚀后,得到单一多孔电极和梯度多孔电极。通过SEM/EDS、XPS、XRD和工业CT对样品微观形貌、元素价态、物相等进行表征和分析,采用线性扫描伏安法(LSV)、循环扫描伏安法(CV)和电化学阻抗谱法(EIS)等手段研究样品的析氢性能。结果通过控制Al的添加量,可以有效控制涂层的孔隙率。通过多组粉末的配合喷涂,成功实现了梯度多孔结构的制备。所制备样品的析氢Tafel斜率都接近于120 mV/dec,其析氢速率控制步骤皆为Volmer过程,即水分子吸附和解离过程。N30A表面最平整,表现出最接近电容的阻抗特性,其电解性能也因此最差;N40A表现出与N50A类似的阻抗特性,但其整体孔隙率较低,因此其电解性能较差;低电流密度下,N50A和N543A表现出十分接近的电解性能,而高电流密度下N543A表现出更加优越的电解性能。结论梯度多孔结构的引入可以促进电解液的输运,同时提供较好的排气能力,又能保证足够的反应活性位点,因此可以有效提升析氢性能。

关键词：电解水大气等离子喷涂梯度多孔三维显微结构电化学阻抗谱