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。研究內(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。
　　通過對膜層氧化測試研究，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，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。對厚度為1600nm膜層長期氧化測試研究表明，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。對濺射所得連接體材料在空氣氣氛下進(jìn)行連續(xù)500h ASR測試，結(jié)果表明 Mn/Co比為40:60所得膜層在測試500h后材料的面電阻率約為0.023Ωcm2，根據(jù) Wagner