固体氧化物燃料电池低Cr连接体合金表面改性及性能研究

氧化铬膜形成合金被广泛用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的连接体材料，但是氧化铬的挥发会使SOFC的阴极发生Cr中毒，加速SOFC的失效进程。针对这一问题，本项目提出采用磁控溅射方法对具有低热胀系数的低Cr Fe-Ni基合金进行表面改性，在其表面沉积与其同成分的溅射层。通过溅射层实现合金表面晶粒细化，使其氧化行为不同于基体铸态合金，降低形成连续氧化铬内氧化膜的临界Cr浓度，生成SOFC合金连接体在阴极环境下所需要的理想双层氧化物结构，即外层为无Cr的导电氧化物来作为氧化铬挥发的阻挡层，内层为连续的氧化铬保护膜。因此，本项目拟通过低Cr Fe-Ni基合金溅射层制备及其高温氧化行为的研究，阐明溅射层的成分、晶粒尺寸对其氧化膜结构的影响机制，揭示溅射改性对低Cr Fe-Ni基合金高温氧化行为的作用机理，为SOFC合金连接体材料的发展提供理论依据。

对于固体氧化物燃料电池（SOFC）连接体低Cr Fe-Co-Ni合金，合金中Si含量至少为1.5 wt.%，氧化后表面才能形成连续的Cr2O3内层，并有SiO2内氧化物颗粒生成。长时间热暴露后，颗粒状的SiO2内氧化物会趋于发展成连续的绝缘层。为了消除Si对表面氧化膜导电性的负面影响，本项目通过磁控溅射方法在低Si或无Si的铸态合金（Si含量为0 - 0.36wt.%）基体上沉积相同成分及相结构的纳米晶涂层，研究了纳米化对合金高温氧化行为、表面膜导电性的影响以及纳米晶涂层与阴极材料的相互作用机制。结果表明：表面纳米化促进了Cr的选择性氧化，与铸态合金相比，降低了生成Cr2O3内层的临界Cr浓度。表面膜主要由(Fe,Co)3O4尖晶石外层和连续的Cr2O3内层组成，外层有效抑制了Cr的向外迁移；连续的Cr2O3内层大大提高了纳米晶涂层的氧化抗力。溅射涂层表面膜的面比电阻（ASR）虽然高于其铸态合金表面膜的ASR，但仍具有良好的导电性。溅射涂层与阴极材料之间发生了互扩散，而预氧化处理却有效抑制了溅射涂层中元素向阴极材料的扩散。因此，溅射低Cr合金纳米晶涂层展示了很好的应用前景，为SOFC合金连接体材料的发展提供了理论依据和技术支持。