固体氧化物燃料电池连接体合金/涂层界面的电致扩散机理研究

The oxidation resistance and electric conductivity of metallic interconnects is decisive for the working life of Solid oxide fuel cell (SOFC). Applying protective coating is generally required for solving the problems of inadequate oxidation resistance, high area specific resistance and Cr evaporation. Some research suggested that electric current had an effect on ion diffusion rate, thereby changing the oxidation behavior of the interconnect. However, there is on one systematic theory to explain the phenomenon of electrical induced diffusion at the interface between interconnect alloy and coating..In this research, the influence mechanism of electric current on oxidation kinetics at high temperature is illuminated from the perspective of nucleation/growth of oxide and ion diffusion. The microstructure and reactions at the interface between the alloy and coating under electric current are revealed by analyzing phase composition, microstructure and element distribution at the interface. On this basis, the influence of current density and electrical conductivity of oxide on the element diffusion is investigated, and the mechanism of electrical induced diffusion at the interface between interconnect alloy and coating is revealed. Moreover, its effect on the interfacial mechanical property and electrical property of the interconnect is discussed. .The implementation of the project provides the theoretical foundation for the electrical induced diffusion between metal and ceramic, which is significant for choosing appropriate system of interconnect and coating for SOFC.

连接体合金的氧化抗力和电性能是决定固体氧化物燃料电池(SOFC)寿命的重要指标，一般通过涂覆保护涂层来解决合金氧化抗力不足、高面比电阻以及Cr挥发等问题。已有研究发现电流会影响离子的扩散速率从而改变合金的氧化行为。然而，目前尚没有系统的理论解释连接体合金/涂层界面的电致扩散现象。. 本项目拟从氧化物形核、长大以及离子扩散的角度阐明电流对连接体合金高温氧化动力学的影响机制；通过分析连接体合金/涂层界面层的相组成、微观结构、元素分布，明确电流作用下的界面微观结构和界面反应。在此基础上，研究电流密度和氧化物电导率对元素扩散程度的影响，揭示连接体合金/涂层界面的电致扩散机理，并探讨该扩散对界面力学性能和连接体电性能的影响。. 本项目的实施将为金属和陶瓷界面的电致扩散现象研究提供理论依据，对于寻求SOFC工况条件下适合的连接体和涂层体系具有重要意义。

在SOFC工作环境中，金属连接体不可避免地发生氧化，并在表面生成氧化膜，氧化膜过度生长会使电阻急剧增加，热应力作用也极易导致氧化膜剥落，严重影响SOFC电堆性能。同时，工况条件下金属连接体中通过的大电流对合金的高温氧化行为、电性能以及界面力学性能有至关重要的影响。.本课题首先研究了连接体材料合金在中温SOFC阳极气氛下的高温氧化机理，并探索了电流对合金氧化、界面结构和界面反应，以及电性能的影响机制。接着探讨了阳极气氛中连接体合金和氧化膜的界面力学性能。最后研究了尖晶石涂层对于连接体合金在中温SOFC阴极气氛下氧化行为和导电性能的影响。在此基础上，评价了连接体合金和涂层界面的力学行为。.连接体FeCrCo合金在阳极气氛循环氧化1000h表现出优异的氧化抗力。合金形成1μm的双层氧化膜。其外层为(Mn,Cr)3O4尖晶石，而内层为Cr2O3的。然而，电流作用下FeCrCo合金形成30-260μm富含Fe的氧化膜。其主要由Fe3O4和FeO组成，并在界面处产生金属间化合物Ni3Fe。尽管电流作用下FeCrCo合金遭受了严重的腐蚀，但其低的面比电阻可满足金属传导的要求。采用了一种变截面的拉伸试样，通过其恒定截面区域中的均匀应力分布和变截面区域中的梯度应力，计算不同水蒸气分压下合金氧化膜与合金基体界面的最大剪切力。随着水蒸气分压的升高，界面最大剪切力增加，表明水蒸气对连接体合金和氧化膜的界面力学性能起到明显的改善作用。采用溶胶-凝胶法在SUS430合金表面制备MnCo2O4尖晶石涂层，其有效增强了SUS430合金的抗氧化能力和电性能。通过拉伸实验，计算SUS430合金和MnCo2O4涂层的界面最大剪切力为131.57MPa。随着氧化时间增长，界面的最大剪切力增大。.本研究为发展高性能的连接体合金和涂层体系提供理论支持和实验依据。