固体氧化物电池金属连接体与涂层间界面性质研究

Solid oxide fuel cell (SOFC) is a promising energy conversion technology. And interconnect is one of the key components in SOFC. In recent years, Fe-Cr ferritic alloys have become the hot topic of the interconnect materials for the intermediate-low temperature SOFC. The Fe-Cr alloys however present inadequate oxidative stability and its Cr volatilization could result in the Cr poisoning of cathode, which seriously restrict the efficient and safe operation of the SOFC. Now the electrically conducting coatings on the interconnect alloy is considered as one of the most effective solutions. By using density functional theory and molecule dynamics, the different interface models between spinel coatings (Mn-Co, Ni-Fe, Cu-Mn) and ferritic alloys will be set up, and the mechanical, thermal and electrical properties of the system will be systematically studied in this project. The diffusion behavior of Cr will be primarily investigated based on which the diffusion mechanism will be revealed. On basis of theoretical studies, the related experiments will be carried out through electrodeposition and thermal conversion process. This project aims to propose an optimal coating which is well matched with the matrix alloy and could efficiently limit the Cr volatilization of the interconnect alloy.

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）是一项重要的能源转化技术,而连接体是SOFC的关键组件之一。近年来，Fe-Cr铁素体合金是中低温固体氧化物燃料电池连接体材料研究的热点。但Fe-Cr合金缺乏良好的长期抗氧化性能，同时Cr挥发会造成阴极铬中毒，给燃料电池的高效安全运行带来严重影响。目前，最有效的解决方法之一是合金表面开发导电性保护涂层。本项目主要通过建立Mn-Co系、Ni-Fe系、Cu-Mn系尖晶石涂层与铁素体合金基体的界面模型，利用密度泛函理论和分子动力学方法研究不同尺度下基体、涂层和界面模型的力学、热学、电学性质，Cr在体系中的迁移性质，以及缺陷、相变等一系列基本物理问题，揭示Cr在基体、界面和涂层的扩散机理。并在理论研究基础上，利用电镀和热转换方法开展对比实验，提出与合金基体匹配良好，并可有效抑制Cr扩散的涂层优化设计方案。

近年来，Fe-Cr铁素体合金是固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）金属连接体材料研究的热点。在合金基体表面开发导电性涂层有望解决合金基体的Cr挥发造成的阴极Cr中毒等问题。本项目利用第一性原理计算方法研究了Cr等元素在合金基体、氧化层和尖晶石涂层中及界面间的迁移行为，并结合基于反应势模型的分子动力学方法，研究了合金基体氧化层的初步形成机理及元素扩散行为，并开展了在合金基体表面制备及优化尖晶石涂层的实验研究。研究结果表明，合金基体与氧化层、氧化层与尖晶石涂层间的两种界面，尤其是特定取向的界面对抑制Cr的扩散起主要作用。Cr原子在Fe-Cr合金基体中最容易扩散，具有低于1.0eV的低迁移势垒，在SOFC的工作环境下(600℃-800℃)，扩散系数在10^-15-10^-12m2/s范围内，而在工作过程中合金基体表面形成的Cr2O3氧化层与合金基体界面对Cr原子的扩散具有较好的抑制作用，迁移势垒约3.5eV，但Cr进入Cr2O3层中后迁移势垒仅约1.0eV，氧化层在高温工作环境中仍然不能有效阻止Cr的挥发。进一步研究表明，Cr在氧化层与Co-Mn尖晶石涂层界面的迁移势垒可达3.1eV，且在涂层内部的迁移势垒约2.2eV，可有效抑制Cr的向外扩散。在此基础上，结合合金表面尖晶石涂层制备和性能优化的实验研究，验证了理论中的合金基体-Cr2O3氧化层-CoMn尖晶石涂层界面模型可有效抑制Cr的向外扩散，并确定了在合金基体表面制备性能优良的Co-Mn尖晶石涂层材料的电解共沉积和分步热转化工艺参数。项目研究成果为解决SOFC金属连接体的Cr中毒问题提供了理论指导和实验支持，推动了铁素体金属连接体在SOFC中的工业化应用。