SOFC连接体合金纳米微结构防护涂层制备及作用机理

含Cr的铁素体不锈钢作为连接体与固体氧化物燃料电池（SOFC）其它部件具有匹配的热膨胀系数，同时由于其成本低廉、易于加工等优点，成为中温板式SOFC连接体材料研究的重点。但这类合金表面高温氧化与Cr挥发所带来的问题已成为影响板式SOFC长期稳定的主要因素之一。本项目通过自主发明的'尖晶石粉末还原法'制备与合金连接体结合紧密且充分致密的新型纳米微结构防护涂层。拟结合铁素体不锈钢表面高温氧化机制及氧化层形成机理，剖析纳米微结构涂层与合金基底相互作用机制；研究生胚层及最终涂层材料组成对涂层致密度及涂层与合金结合强度的影响机制；建立涂层与合金作用模型；并研究涂层致密度及结合强度对抑制氧化层增厚及抑制Cr挥发的作用机理；探讨涂层后的合金连接体与阴极的相互作用关系，在这些基础上进一步开发出在SOFC高温氧化环境下具有低的面比电阻且长期运行时稳定的合金连接体防护涂层。

含Cr的铁素体不锈钢作为连接体与SOFC其它部件具有匹配的热膨胀系数，同时由于其成本低廉、易于加工、高电导和高热导等特性对SOFC电堆的成本降低和应力缓和等十分有利，成为中温板式SOFC连接体材料研究的重点。但连接体暴露在氧化气及燃料气双重环境下，即便是中温条件，其对合金连接体的要求仍然十分苛刻。特别是合金连接体阴极侧表面高温氧化与Cr挥发进而在阴极沉积所带来的问题已成为影响板式SOFC长期稳定的主要因素。因此在阴极侧必须进行有效的涂层。本项目通过自主发明的尖晶石粉末还原法制备与合金连接体结合紧密且致密的防护涂层。探讨涂层与合金结合及致密机理，并探讨涂层后的合金连接体与阴极的相互作用关系等，进而开发出在SOFC高温氧化环境下具有低的面比电阻且长期运行稳定的合金连接体防护涂层。. 测试表明，本课题所制备的涂层与合金连接体结合紧密，涂层厚度均匀、致密，为10微米左右。此涂层合金经800C空气气氛下高温氧化1017h并经过10个热循环后，其面比电阻（ASR）仍维持在3 毫欧平方厘米左右，表现出优异的电导性能及长期稳定性。同时，涂层合金在恒电流密度（400mA/cm2）下750度及1391小时长时间运行，并经过5个热循环，其ASR由最初的2.5 毫欧平方厘米略升至4.1 毫欧平方厘米左右，面比电阻较低。进一步将此尖晶石粉末还原法与简单的室温喷涂技术相结合制备涂层，成功地实现了涂层放大制备及批量生产，使涂层制备成本极大的降低。此外，在此研究基础上，进一步开发出一类新型接触层材料用于阴极与涂层合金的接触，取得了较好的初步成果。750度高温氧化环境，而且在恒电流密度400 mA/cm2下，运行200个小时，测试的接触电阻较小且较稳定，保持在5.4 mcm2左右。通过此课题发明的涂层制备方法所制备的涂层，目前已经成功应用于kW级电堆中，并将进一步在5kW级系统中实际应用。此涂层的成功应用，对降低SOFC制备成本，进而对促进SOFC的实际应用具有重要的价值。