固体氧化物燃料电池铁素体连接体材料的性能研究

论文摘要

固体氧化物燃料电池（SOFCs）作为高效、清洁的第四代发电技术,备受国内国外的关注。作为固体燃料电池四大部件之一的连接板主要起着在相邻的电池之间传输电子和分隔燃料气体与氧化气体的作用。由于固体氧化物燃料电池（SOFCs）工作温度的降低,耐热合金取代传统的陶瓷材料将成为连接板的新一代材料。金属连接板的应用,将大大降低固体氧化物燃料电池（SOFCs）的制造成本。Fe基合金因资源丰富,具有合适的热膨胀系数,高延展性,良好的加工性及低成本等优点,成为中温平板式固体氧化物燃料电池连接体材料研究的焦点。Crofer22 APU钢作为最有潜力的一种SOFCs连接体材料,对其各种性能的研究是非常有必要的。本文采用RX3-30-9箱式电阻炉静态空气中进行Crofer22 APU钢的高温抗氧化试验,采用Gleelbe-1500热模拟试验机对Crofer22 APU钢的压缩热变形进行了研究；然后利用光学显微镜（OM）、冷场发射电子扫面显微镜（SEM）和电子透射电镜（TEM）等研究手段研究了试验后的微观组织。试验主要分为两部分,第一部分主要是针对Crofer22 APU铁素体不锈钢的高温抗氧化性、氧化机理、氧化后的导电性及其热膨胀系数等问题进行了研究。主要的结论有：Crofer22 APU钢被氧化后氧化膜的最外层是由Fe3O4,Cr2O3, TiO2和MnO组成,内层除Fe的氧化物以外,主要是由Cr、Si的氧化物构成,并得到在800℃下,氧化550小时,Crofer22 APU钢的平均氧化速率为0.0136g/m2.h。第二部分主要是针对Crofer22 APU铁素体不锈钢的热变形行为以及组织变化的研究。首先利用Thermo-Calc热力学软件,依据Crofer22 APU钢的化学成分拟合出其相图,依据相图制定出热变形工艺。主要结论为：Crofer22 APU钢在应变速率为O.1s-1时,在900℃、1000℃下发生了完全动态再结晶,1100℃时,组织内部发生不完全再结晶；变形速率为1.0 s-1,变形温度为900℃～1100℃时,组织内部发生不完全动态再结晶；变形速率为10 s-1、变形温度为900℃时未发生再结晶,当变形温度为1000℃、1100℃时,均发生了不完全再结晶。晶粒尺寸随变形温度升高而增大。Crofer22APU钢在900℃～1150℃变形速率为0.1～10 s-1条件下的热变形方程为：p=（2E+13）[sinh(0.012Ep]2.78.exp[（-333288）/（RT）]

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池的工作原理及特点
• 1.3 固体氧化物燃料电池
• 1.3.1 SOFCs的电解质材料
• 1.3.2 SOFCs的阳极材料
• 1.3.3 SOFCs的阴极材料
• 1.3.4 SOFCs的连接体材料
• 1.4 固体氧化物燃料电池的连接体材料
• 1.4.1 陶瓷连接体材料
• 1.4.2 金属连接体材料
• 1.5 金属连接体材料高温抗氧化机理
• 1.6 铁素体钢的热变形行为
• 1.6.1 研究热变形行为的意义
• 1.6.2 高温塑性变形基本特征
• 1.6.3 铁素体区相变研究进展
• 1.6.4 热变形的本构关系
• 1.7 本文研究的内容、目的和意义
• 1.7.1 研究内容
• 1.7.2 研究目的和意义
• 第二章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验钢原始态金相组织和力学性能
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 力学性能测试
• 2.3.2 显微组织观察
• 2.3.3 高温抗氧化试验
• 2.3.4 热模拟试验
• 2.3.5 热膨胀试验
• 第三章 Crofer22 APU钢的抗高温氧化研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料及方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 氧化过程的热力学分析
• 3.3.2 氧化过程动力学分析
• 3.3.3 氧化层形貌及相组成
• 3.4 本章小结
• 第四章 Crofer22 APU钢的热变形性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料和方法
• 4.3 Crofer22 APU钢热变形过程中显微组织
• 4.3.1 变形温度对微观组织的影响
• 4.3.2 变形速率对微观组织的影响
• 4.4 Crofer22 APU钢的高温热变形行为
• 4.4.1 Crofer22 APU钢的平衡相图
• 4.4.2 变形参数对真应力-应变曲线的影响
• 4.4.3 Crofer22 APU钢热变形流变应力方程
• 4.4.4. 试验钢峰值应力和Z参数之间的关系
• 4.5 Crofer22 APU钢的热膨胀系数
• 4.6 本章小结
• 第五章 Crofer22 APU钢的高温性能
• 5.1 Crofer22 APU钢的高温抗氧化机理讨论
• 5.2 Crofer22 APU钢的高温热变形机理讨论
• 5.3 Crofer22 APU钢面比电阻讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文目录
• 附录B: 文中英文缩写词以及符号说明