[发明专利]用于固体氧化物燃料电池金属连接器的高温耐蚀导电陶瓷涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池领域，更具体地说，是涉及一种固体氧化物燃料电池金属连接器高温耐蚀导电陶瓷涂层材料及其制备方法。 

背景技术

面对矿物能源的减少及其带来的环境问题，发展高效、节能、安全、环保的能源系统正日益受到重视。燃料电池是一种通过电化学反应直接将化学能转化为电能的装置，具有能源转化效率高、清洁、噪声低等优点。在各种燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）具有全固态结构、无需使用贵金属催化剂和对多种燃料气体的广泛适应性等特点，被认为是非常有竞争力的发电系统，适合用作分散的电站、热电联供、交通、空间宇航和其它许多领域。 

成本与寿命是目前制约固体氧化物燃料电池商业化的关键因素。作为SOFC关键部件之一的连接器，在整个电池重量与成本控制方面起着非常重要的作用。常用的SOFC连接器材料采用钙钛矿结构的铬酸镧陶瓷（LaCrO₃），但是LaCrO₃陶瓷存在成本昂贵、脆性极高、难于加工等问题，这严重阻碍了SOFC的商业化运营。随着SOFC工作温度的降低，金属材料开始替代陶瓷作为连接器材料。金属材料具有机械强度高、良好导电与导热性能(金属本体)，同时易于被加工成薄板，因而能大幅度地提高电池堆的比功率，且低成本是极有竞争力的连接器材料。在SOFC电池堆的设定寿命内（不低于40,000h），金属连接器须保持好 的抗氧化性及导电性，这就要求所生成的氧化膜薄并粘附性好，且电导率足够高，面比电阻（ASR）低于0.1Ωcm²,氧化膜中铬的挥发还应足够低。为满足上述要求，有研究者通过改变合金成分的方式，设计专门用于SOFC金属连接器的铁素体不锈钢，这些不锈钢与以前所用的典型不锈钢相比具有更低含量的C、S、P和Si以及更高的Cr含量。当然仅仅通过优化合金成分，来解决氧化性、导电性和铬挥发的问题难度较大，迄今尚无法满足经济、实用化的要求。 

基于提高金属连接器抗氧化性能和防止Cr挥发的双重目的，需要在金属连接器表面施加特殊的高温耐蚀导电陶瓷涂层。与传统的高温防护涂层不同，高温耐蚀导电陶瓷涂层必须具有高电子传导率和低离子传导率，具有与相邻的燃料电池部件相近的热膨胀系数和化学相容性。而Co/Mn尖晶石高温耐蚀导电陶瓷涂层显示较好的应用前景。高能微弧合金化技术的特点是：涂层经微区高温冶金过程形成，与金属基体结合极为牢固；涂层制备过程对基体热影响区小，所获涂层具有微晶或纳米晶结构；不受基体材料的限制，涂层材料消耗量较小，易于操作，成本低。本发明致力于发展新的Co/Mn尖晶石高温耐蚀导电陶瓷涂层体系，以推动SOFC金属连接器的的商业应用。 

发明内容

为了提高固体氧化物燃料电池金属连接器的高温抗氧化性能和防止Cr化合物挥发的双重目的，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池金属连接器的高温耐蚀导电陶瓷涂层的制备方法，涂层与金属具有好的界面结合，且有效提高金属连接器的高温抗氧化性能。 

本发明的技术方案为： 

一种用于固体氧化物燃料电池金属连接器的高温耐蚀导电陶瓷涂层，是在 金属基体表面沉积金属Co过渡层和金属Mn表面层。 

Co过渡层厚度为5～20μm，晶粒尺寸为0.01～2μm。Mn表面层厚度为0.1～5μm，晶粒尺寸为0.01～1μm。 

一种用于固体氧化物燃料电池金属连接器的高温耐蚀导电陶瓷涂层的制备方法，步骤如下： 

第一步：金属基体和电极棒的表面预处理。金属基体可以选择不锈钢材料如304、316、430等，或者是高温合金如K3钢。金属基体采用水磨砂纸打磨，再采用蒸馏水或无水乙醇或丙酮清洗，优选丙酮，再自然晾干或吹干。金属Co和Mn电极棒直径为1～4mm，长度为1～20cm，采用水磨砂纸打磨除油脂和氧化物并清洗； 

第二步：在金属基体表面采用高能微弧电沉积先制备金属Co过渡层，参数选择为：功率900～2000W；电压60～120V，频率50～1000Hz。制备的Co过渡层厚度为5～20μm，晶粒尺寸为0.01～2μm。再制备金属Mn表面层，功率为900～1500W；电压为40～80V，频率为1000～2000Hz，所述Mn表面层厚度为0.1～5μm，晶粒尺寸为0.01～1μm，制备好的金属基体/Co/Mn复合层立刻保存在无氧环境中（如：氮气，氩气或真空中）。上述过程在室温下进行；