尖晶石表面改性SOFC金属连接板界面组织结构演化与导电性研究

本项目针对应用于SOFC连接板的Fe-Cr不锈钢，提出利用在表面渗入Co、Ni等元素，预氧化自生长方法形成不同组分的Co-Ni尖晶石氧化物层，系统深入地研究表面尖晶石氧化物的组分、组织结构和电子结构，阐明其与导电性的关系。进一步深入研究其改性不锈钢在SOFC条件下的表面氧化膜层的元素扩散传质行为、界面组织结构演变、抗氧化行为和抗元素Cr挥发的能力。明确Co-Ni尖晶石氧化物改性的铁素体不锈钢在模拟SOFC条件下氧化动力学过程、金属元素的扩散分布和挥发、氧化膜层的增厚、与阴极LSCF/LNCF等材料界面组织结构演变过程；揭示氧化过程中表面氧化膜层的组分、结构、厚度和导电能力的演化机制；获得氧化膜层成分、组织结构及其演变对面比电阻的影响规律。该研究对尖晶石氧化物的认识和SOFC金属连接板的应用发展具有重要的理论意义和实际价值。

固体氧化物燃料电池（SOFC）一种直接将燃料中的化学能通过电化学反应转化为电能的发电装置。燃料电池技术具有高效、排放低等优点，是未来电动汽车、电动船舶等移动电源和分布式电源的重要发展方向。双极连接板是燃料电池中的一个重要的多功能组件，用于联接单电池组合成电池堆，不仅传导电子，而且物理隔绝并均匀分配燃料气体和氧化剂。双极连接板的导电性直接影响燃料电池的功率输出和寿命。随着SOFC的中低温化，使得采用铁基合金材料代替导电陶瓷制作双极连接板成为可能，但是金属材料的高温抗氧化性和导电性不足制约其发展。本项目针对应用于SOFC连接板的Fe-Cr不锈钢，提出利用等离子渗扩技术在不锈钢表面渗入Co、Ni等合金元素，预氧化自生长形成不同组分的尖晶石氧化物层，系统深入地研究表面尖晶石氧化物的组分和组织结构，阐明组织结构与导电性和抗氧化性的关系。获得的主要结果如下：.（1）MnCo2O4和NiCo2O4尖晶石氧化物在800℃的电导率分别为17.6 S•cm-1和24.3 S•cm-1；热膨胀系数TEC分别为11.5×10-6 K-1和11.8×10-6 K-1，与SUS430基体的TEC=11.0×10-6 K-1非常相近。.（2）采用等离子渗扩技术在Fe-Cr不锈钢表面渗入合金元素，制备3-18μm渗扩层，然后在650-850C空气中预氧化1-2h,可获得3-5μm的渗入元素组合的尖晶石氧化物层。.（3）在模拟800C温度SOFC工作环境下进行长期的800h氧化，尖晶石氧化物改性的不锈钢氧化物的增长符合二阶段抛物线规律, 较未改性的不锈钢氧化速率显著降低，氧化激活能显著提高。在模拟SOFC工作环境下氧化500h后，面比电阻（ASR）测试结果表明，MnCo2O4与NiCo2O4改性可使SUS430的ASR由410 mΩ•cm2分别降低到206 mΩ•cm2和99 mΩ•cm2，表明上述两种尖晶石改性层可显著提高SUS430的高温抗氧化性和表面导电性。.（4）在模拟SOFC工作环境下长期氧化过程中，基体元素向表面尖晶石氧化物层中扩散，组织结构演化成双层尖晶石结构，出现Mn-Cr和Ni-Cr的尖晶石氧化物内表层，使得表面接触电阻增大，有待继续深入研究。.上述的研究结果对尖晶石氧化物的认识和SOFC金属双极连接板的应用发展具有重要的理论意义和实际价值。