[发明专利]一种SOFCs金属连接体表面涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池连接体涂层材料及其制备方法，特别涉及一种固 体氧化物燃料电池金属连接体涂层材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solidoxidefuelcells，SOFCs)是一类直接将化学能 转变为电能的能量转换设备。因其具有能量转换效率高、燃料来源广泛、无需 贵金属做催化剂、可靠性高、结构灵活、运行稳定、使用寿命长等一系列优点 而被广泛应用于人口密集的城市和偏远山区。

SOFCs的核心组件是单电池，它由阴极、电解质和阳极三部分构成。阳极 和阴极均为多孔结构，提供电化学反应场所，通常含有加速电极电化学反应的 催化剂；电解质多是致密的离子导体，主要用于传导离子并隔离电极两端的不 同气体。根据电解质载流子的不同，SOFCs分为质子传导型和氧离子传导型两 种类型。本发明所述SOFCs为氧离子传导型固体氧化物燃料电池。

单电池只能产生0.7-1.0V左右的电压，功率十分有限。随着阳极支撑型平板 式SOFCs的中低温化(600℃～800℃)发展，人们逐渐开始使用含Cr的合金作为 金属连接体将相邻单电池的阴极和阳极互相连接形成电堆，从而获得所需要的 功率输出。

在现有技术中，含Cr的合金作为连接体材料主要有三类，分别为Cr基(如， 氧化物弥散的(ODS)Cr-5Fe-1Y₂O₃)、Ni基(如，Haynes230、Inconel625等) 和Fe基合金(如，Fe-16Cr、Fe-Cr-Mo系、ZMG232)，但Cr基合金存在非常 严重的Cr(VI)挥发问题，在应用中会带来电池阴极性能的迅速衰减，使得工作 稳定性迅速降低，且工艺复杂，制备成本较高；Ni基合金热膨胀系数明显大于 SOFCs电解质(YSZ)与电极材料的热膨胀系数，在电堆启动和停止运行时， 热冲击和较大的温度梯度差带来的热应力会使电解质膜发生灾难性破坏，另外 成本也较高。

同前两种合金相比，Fe基合金资源更丰富，且加工便捷，制作成本低廉， 更重要的是其热膨胀系数与SOFCs的电解质和电极材料极为相近，稳定的抗氧 化性等诸多优点而成为SOFCs金属连接体的研究重点。

SOFCs在实际中长期运行(理论上>40000小时)时，金属连接体材料不可 避免会出现一些问题，如氧化层急剧生长和开裂，导致接触电阻迅速增大，表 层形成的Cr₂O₃膜在工作环境下进一步被氧化成挥发态的含Cr氧化物，且聚集 在电池阴极表面、阴极与电解质界面处发生电化学或者化学反应，一方面被还 原为固态Cr₂O₃沉积在反应界面处阻碍电极表面的活性区域发生电极反应，导致 电池的性能进一步衰减；另一方面，挥发态的含Cr氧化物与LSM发生反应， 在三相界面处生成Cr₂MnO₄、SrCrO₄，进一步造成对阴极的毒化作用，降低电 池性能。

现有技术通常采用涂层对金属连接体表面进行改性，如，活性元素氧化物 涂层、稀土元素钙钛矿结构涂层、MAlCrYO涂层、尖晶石和复合尖晶石涂层等 来提高金属连接体的抗氧化性，提高氧化层的导电性，有效的减缓或者抑制Cr 挥发沉积带来的阴极毒化。

然而，活性元素氧化物涂层呈多孔结构，且比较薄(小于200nm)，不能很好 地阻止Cr向表面氧化层的扩散来防止Cr毒化SOFCs的电级；不含Cr元素的钙 钛矿涂层会加快氧化层的增长速率，影响涂层合金表面的整体稳定性；MAlCrYO 涂层工作温度在1000℃以上，一般被认为不适合做中低温化SOFCs金属连接体 的涂层材料。

尖晶石和复合尖晶石材料，不仅能够获得良好的导电性和与电池其他部件 相匹配的热膨胀系数(thermalexpansioncoefficient，CET)，还对Cr及Cr的氧 化物显示出很好的吸收能力，能够抑制富Cr氧化层的挥发而带来的阴极Cr毒 化。有研究表明，MnCo₂O₄尖晶石能够有效抑制Cr迁移和阳离子的对外扩散， 极大的降低氧化速率，改善氧化膜的电导率，且具有优异的化学及热循环的稳 定性，很适合用作金属连接体涂层材料。但是，MnCo₂O₄尖晶石的电导率仍然 有待提高。