固体氧化物燃料电池连接板保护膜扩散机理与优化设计研究

Mn/Co尖晶石结构膜层有高的电导率，与铁素体不锈钢连接板有优异的热膨胀系数匹配，是最有效的SOFC连接板保护膜层之一。当前Mn/Co尖晶石膜面临的主要问题有：（1）制备方法的多样性导致膜层质量和厚度（从1μm到60μm）差异大；（2）元素扩散引起保护膜成分和性能发生显著变化；（3）氧元素内扩散导致中间氧化层厚度增加影响长期稳定性。因此，采用简单方法制备高质量保护膜，并考虑到扩散带来的膜层成分和厚度的影响，对SOFC连接板膜层的优化设计至关重要。本课题拟采用一种新制备工艺：磁控溅射法沉积Mn/Co合金薄膜，再高温氧化合成Mn/Co尖晶石。通过对膜层进行表征分析，拟探索不同元素（Fe, Cr, Mn, Co, O）在膜层中的扩散机理，阐明元素内外扩散所导致的膜层成分和性能的变化；同时，从氧化时间、膜层厚度和成分上揭示中间氧化层的生长规律。从而设出最佳的连接板保护膜，为膜层的标准化提供依据。

(Mn,Co)3O4尖晶石是目前公认适合用作固体氧化物燃料电池（SOFC）不锈钢连接板保护膜的材料。而在所有 (Mn,Co)3O4尖晶石体系中，Mn/Co为1/1的Mn1.5Co1.5O4尖晶石导电系数最高，热膨胀系数与不锈钢基板匹配性也最好，因此获得Mn1.5Co1.5O4¬膜层是最终目标。但长时高温工作条件下，元素扩散不可忽略，之前工作也证实了基体中Mn会发生外扩散改变膜层成分。本课题正是基于上述发现，通过改变膜层初始成分与初始厚度结合氧化时间探讨元素扩散规律并对膜层进行优化：各元素扩散达到稳态时，膜层成分为Mn1.5Co1.5O4。.首先，优化磁控溅射各参数以及工艺过程获得质量优异的特定成分（纯Co、Mn20Co80、Mn40Co60）、特定厚度（800nm、1500nm、3000nm）合金层；然后，将制备的膜层分别放在800℃的空气中氧化2h、10h、50h、250h、1000h，得到不同成分的MnCo尖晶石结构。.其次，通过横截面形貌与线扫描结果表明膜层与基板界面处有零星稀散分布的氧化物SiO2和Al2O3；氧化后膜层中少量的Co发生了内扩散，在(Mn,Co)3O4层中未发现Cr的扩散，但存在少量的Fe元素，得到了Mn、Fe、Cr在(Mn,Co)3O4尖晶石中扩散系数满足不等式DMn>DFe>DCr。.最后，根据膜层的ASR在空气中性能测试分析，Mn40Co60-1500 nm和Mn40Co60-3000 nm 膜层的面电阻基本很相近，根据Wagner氧化原理推测在后续氧化的40000h后膜层的面电阻分别为94 mΩcm2和89 mΩcm2，小于美国能源部固态能源转换联盟(SECA)提出的100 mΩcm2，符合要求，因此考虑成本问题，得出Mn40Co60-1500nm膜层是在阴极条件下最佳的SOFC连接体保护膜层厚度。.本项目的研究成果获得了同行业的认可，2篇文章发表在国内核心期刊上，1项成果获得国际会议最佳论文奖，2篇文章发表在Int. J. Hydrogen Energy 上，并授权国家发明专利1项。通过本项目的研究，系统地分析了SOFC连接板保护膜的最优化结果，从性能和成本上为SOFC的长期稳定化工作提供了依据。