SOFC金屬連接體Mn-Co保護(hù)膜層的制備及其性能研究.pdf

1、隨著固體氧化物燃料電池(SOFC)中溫化的實(shí)現(xiàn)，越來越多的金屬材料可以應(yīng)用于SOFC連接體，含Cr的鐵素體不銹鋼是最適合用于連接體的材料，但是鐵素體不銹鋼在高溫氧化氣氛下氧化層生長(zhǎng)過快并且其存在較為嚴(yán)重的Cr的毒化現(xiàn)象。為解決這些問題，最有效的辦法就是對(duì)鐵素體不銹鋼材料施加保護(hù)涂層。(Mn,Co)3O4尖晶石涂層是目前性能最好的金屬連接體涂層材料，它具有良好的導(dǎo)電性并能有效地阻擋Cr的擴(kuò)散，且其熱膨脹系數(shù)與燃料電池其他材料匹配性較好。目

2、前制備(Mn,Co)3O4尖晶石涂層的主要方法有絲網(wǎng)印刷-高溫?zé)Y(jié)法、溶膠凝膠法等，相對(duì)物理氣相沉積法，這些方法制備的尖晶石涂層致密性較差，材料中有較多孔洞，這樣一來，為了達(dá)到連接體涂層材料的要求就必須將膜層制備地較厚，這無疑會(huì)增加連接體接觸電阻降低燃料電池性能。
　　本課題采用磁控濺射法制備Mn/Co合金涂層再經(jīng)預(yù)氧化后生成(Mn,Co)3O4尖晶石保護(hù)涂層。研究?jī)?nèi)容主要分為膜層制備工藝優(yōu)化以及膜層性能研究。濺射所采用的基體材料

3、為SUS430，由于其中除含有約17％的Cr外，還含有不到1%的Mn，課題采用不同Mn/Co比靶材濺射制備保護(hù)膜層，并研究膜層的性能差異。
　　研究表明，在鍍膜前，宜提高不銹鋼基體材料的拋光程度，用砂紙逐級(jí)拋光，最后用0.5μm金剛石研磨膏拋光。直流濺射鍍膜時(shí)合適的濺射參數(shù)為：直流電流為0.35A，基體偏壓為100V，基體加熱溫度為250℃，濺射氣壓為0.5Pa。濺射所得膜層的Mn/Co原子比與靶材Mn/Co比相接近，并且，研究表

4、明本實(shí)驗(yàn)所采用的兩種靶材的沉積速率相近，均約為42nm/min。
　　通過對(duì)膜層氧化測(cè)試研究，為滿足應(yīng)用要求，Mn/Co膜層的厚度應(yīng)不小于1200 nm。Mn/Co比為20:80靶材濺射沉積膜層預(yù)氧化后尖晶石氧化層的 Mn/Co比例約為1:3，Mn/Co比為40:60靶材所制備膜層預(yù)氧化后其尖晶石層的 Mn/Co比接近1:1，并且隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，在250h氧化時(shí)間內(nèi)，其 Mn/Co尖晶石氧化層中錳鈷的比例變化較小。Mn/Co涂

5、層厚度大于1200nm時(shí)，預(yù)氧化后，兩種 Mn/Co比靶材所得膜層表面 Cr的增量較小。對(duì)厚度為1600nm膜層長(zhǎng)期氧化測(cè)試研究表明，兩種錳鈷比靶材濺射所得膜層在氧化250h過程中表層 Cr的增量均較低。并且氧化層與不銹鋼基體間結(jié)合緊密，沒有明顯的開裂、孔隙存在。對(duì)濺射所得連接體材料在空氣氣氛下進(jìn)行連續(xù)500h ASR測(cè)試，結(jié)果表明 Mn/Co比為40:60所得膜層在測(cè)試500h后材料的面電阻率約為0.023Ωcm2，根據(jù) Wagner