SOFC低温烧结保护涂层的多组分材料设计和相关科学研究

为了降低固体氧化物燃料电池（SOFC）中金属连接部件对合金基体材料耐高温氧化性的要求并降低连接部件的制造成本，急需发展可在较低温度下（≤800 C）烧结的高性能保护涂层材料。本项目从涂层的多组分设计入手，提出在氧化物涂层材料中添加反应性组分，利用组分之间以及涂层和金属基体之间的固相反应来降低涂层的烧结温度。同时，开展相关科学问题的研究：（1）涂层的多组分材料设计及其低温烧结性能和机理；（2）涂层与金属基体之间界面反应和界面微观结构；（3）低温烧结涂层的性能和稳定性与涂层成分和微观结构之间的关系和机制。通过以上研究，一方面可以实现涂层材料的组分优化，为SOFC电堆技术提供高性能、低烧结温度的保护涂层；另一方面可深入认识涂层材料的低温烧结机制和界面反应机理，建立涂层的组分、微观结构和性能之间的关联，为低温烧结涂层材料的开发和应用提供科学认识基础，并推动相关科学和技术创新。

低成本且运行温度下高度稳定的电连接技术是实现固体氧化物燃料电池（SOFC）技术实用化的关键之一。为了发展用于合金连接体的可低温烧结的抗氧化保护涂层，本项目提出了在氧化物涂层材料中添加反应性组分，利用组分之间以及涂层和金属基体之间的固相反应来降低涂层的烧结温度，同时围绕相关科学问题展开深入研究。主要研究工作及成果如下：（1）分别针对Fe-Cr铁素体合金和Ni-Cr合金进行了多组分涂层材料设计，研发出MnCo2O4-MnO2和La1-xSrxCoO3 (LSC)-MnO2低温烧结涂层材料；（2）系统研究了多组分涂层的低温烧结性能和抗高温氧化性能，阐明了多组分涂层低温烧结的固相反应机制；（3）分析了涂层与金属基体之间界面结构和界面反应，指出厚度适宜的界面反应层是提高MnCo2O4-MnO2涂层抗高温氧化性能的关键；（4）研究了LSC涂层在富Cr环境下的分解行为，阐明了LSC-MnO2低温烧结涂层中MnO2对LSC的稳定化作用及其机制；（5）MnCo2O4-MnO2涂层技术已通过管型单电池发电测试，未来将应用到大功率SOFC电堆集成中。通过本项目研究，一方面为SOFC电堆技术提供了高性能、低烧结温度的保护涂层；另一方面深入认识了涂层材料的低温烧结机制和界面反应机理，为低温烧结涂层材料的开发和应用提供了科学认识基础。