SOFC金属连接体Mn/Co保护膜层的制备及其性能研究

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随着固体氧化物燃料电池(SOFC)中温化的实现,越来越多的金属材料可以应用于SOFC连接体,含Cr的铁素体不锈钢是最适合用于连接体的材料,但是铁素体不锈钢在高温氧化气氛下氧化层生长过快并且其存在较为严重的Cr的毒化现象。为解决这些问题,最有效的办法就是对铁素体不锈钢材料施加保护涂层。(Mn,Co)3O4尖晶石涂层是目前性能最好的金属连接体涂层材料,它具有良好的导电性并能有效地阻挡Cr的扩散,且其热膨胀系数与燃料电池其他材料匹配性较好。目前制备(Mn,Co)3O4尖晶石涂层的主要方法有丝网印刷-高温烧结法、溶胶凝胶法等,相对物理气相沉积法,这些方法制备的尖晶石涂层致密性较差,材料中有较多孔洞,这样一来,为了达到连接体涂层材料的要求就必须将膜层制备地较厚,这无疑会增加连接体接触电阻降低燃料电池性能。  本课题采用磁控溅射法制备Mn/Co合金涂层再经预氧化后生成(Mn,Co)3O4尖晶石保护涂层。研究内容主要分为膜层制备工艺优化以及膜层性能研究。溅射所采用的基体材料为SUS430,由于其中除含有约17%的Cr外,还含有不到1%的Mn,课题采用不同Mn/Co比靶材溅射制备保护膜层,并研究膜层的性能差异。  研究表明,在镀膜前,宜提高不锈钢基体材料的抛光程度,用砂纸逐级抛光,最后用0.5μm金刚石研磨膏抛光。直流溅射镀膜时合适的溅射参数为:直流电流为0.35A,基体偏压为100V,基体加热温度为250℃,溅射气压为0.5Pa。溅射所得膜层的Mn/Co原子比与靶材Mn/Co比相接近,并且,研究表明本实验所采用的两种靶材的沉积速率相近,均约为42nm/min。  通过对膜层氧化测试研究,为满足应用要求,Mn/Co膜层的厚度应不小于1200 nm。Mn/Co比为20:80靶材溅射沉积膜层预氧化后尖晶石氧化层的 Mn/Co比例约为1:3,Mn/Co比为40:60靶材所制备膜层预氧化后其尖晶石层的 Mn/Co比接近1:1,并且随着氧化时间的延长,在250h氧化时间内,其 Mn/Co尖晶石氧化层中锰钴的比例变化较小。Mn/Co涂层厚度大于1200nm时,预氧化后,两种 Mn/Co比靶材所得膜层表面 Cr的增量较小。对厚度为1600nm膜层长期氧化测试研究表明,两种锰钴比靶材溅射所得膜层在氧化250h过程中表层 Cr的增量均较低。并且氧化层与不锈钢基体间结合紧密,没有明显的开裂、孔隙存在。对溅射所得连接体材料在空气气氛下进行连续500h ASR测试,结果表明 Mn/Co比为40:60所得膜层在测试500h后材料的面电阻率约为0.023Ωcm2,根据 Wagner氧化原理推测在40000h后材料的面电阻率大小为0.096Ωcm2,符合美国固态能源转换联盟(SECA)提出的0.1Ωcm2的要求。测试结果表明,采用磁控溅射法制备 Mn/Co合金膜层再经预氧化生成尖晶石保护层的方法是可行的。
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