等离子喷涂SOFC复合连接体的界面结构演变及长期服役稳定机理

The core issue for the current development of solid oxide fuel cell (SOFC) is to improve the system output performance and operation lifetime. Interconnector is a key component affecting the system stability and operation life for SOFC stacks. Given the insufficient high-temperature oxidation resistance and cathode poisoning induced by the Cr evaporation of ferritic stainless steel (FSS) interconnector, it is necessary for the interconnector to be coated with dense conductive and protective coatings to resolve the above issues. .Focused on the long-term stability of tubular SOFC stack, this program proposed novel design ideas of FSS-Mn1.5Co1.5O4 (MCO) composite interconnector deposited by plasma spraying. First, the dense FSS-MCO composite interconnector will be directlly obtained without post heat-treatment, along with the research on deposition behavior and interfacial bonding mechanism of the molten particles. Then, the structure stability mechanism of the composite interconnector during long-term operaion under tubular SOFC conditions will be illuminated, based on theoretical prediction and test characterizations. At last, the interconnector/cathode system with stable structure will be established. Meanwhile, the interface structure evolution model will be built, and the influence of interface characteristics on the operation lifetime of this system will be revealed. In brief, this research would provide theoretical basis as well as technical support for the development of tubular SOFC systems with high-performance, long lifetime and cost effectivity.

提升服役性能及寿命是固体氧化物燃料电池（SOFC）当前发展所面临的核心问题。在电堆系统中，连接体是影响系统性能及服役寿命的关键部件。基于铁素体不锈钢（FSS）连接体的抗高温氧化性能不足及Cr挥发扩散导致的阴极毒化问题，在其表面进行致密导电防护涂层的制备，是实现高性能连接体的必需途径。本项目针对管状SOFC的结构特征，以串联系统的长期服役稳定性作为研究导向，提出等离子喷涂一次成型制备FSS-MCO复合连接体的设计思路。首先，通过熔融粒子沉积行为及涂层界面结合机理研究，实现高性能复合连接体的结构设计及一次成型制备；然后，基于理论预测及试验表征，阐明复合连接体在管状串联电池长期服役条件下的结构稳定机理；最后，构筑具有稳定结构的连接体/阴极体系，建立界面结构演变模型，揭示界面特性对长期服役稳定性的影响机制。本项目研究将为高性能、长寿命、低成本管状串联SOFC系统的发展提供理论基础及技术支撑。

提升服役性能及寿命是固体氧化物燃料电池（SOFC）当前发展所面临的核心问题。在电堆系统中，连接体是影响系统性能及服役寿命的关键部件。基于铁素体不锈钢（FSS）连接体的抗高温氧化性能不足及Cr挥发扩散导致的阴极毒化问题，在其表面进行致密导电防护涂层的制备从而形成复合结构，是实现高性能连接体的必需途径。本课题首先针对目前常规技术难以实现的高层间结合及高致密连接体，提出粉末结构及沉积温度双重调控策略，在低温下通过大气等离子喷涂技术实现了高性能尖晶石/不锈钢复合连接体的一次成型制备，确立了致密连接体复合层的制备调控新方法。针对MCO尖晶石在热处理条件下的组织不均匀现象进行研究，揭示了涂层厚度（δ0）与组织均匀化速率（dδ/dt）之间的定量关系，并基于尖晶石生长动力学曲线，提出管状串联SOFC连接体的适宜应用厚度；然后，基于阴极超高温氧化服役环境，系统研究了复合连接体长达2000h的结构演变特征及高温服役稳定性，验证了等离子喷涂连接体涂层在长期服役条件下的结构稳定性；揭示了MCO/FeCr24-LSM连接体/阴极体系的界面特性及氧化行为。由此发现，复合体系在长达1200h的高温服役条件下，表现出良好的界面特性，界面氧化层厚度保持在1.2μm以内，面比电阻ASR值仅为13mΩ•cm2。在此基础上，基于等离子喷涂MCO/FeCr24复合连接体，实现了竹节管状串联电池组装及测试，在多孔金属支撑体上实现了多节串联电池组装，首次建立了适用于管状燃料电池的界面结构演变模型。在600~800oC温区内的热循环测试结果表明，该串联电池具有良好的循环稳定性，单次热循环的电压衰减速率不到1.8%。本项目研究成果将为高性能、长寿命、低成本管状串联SOFC系统的发展提供理论基础及技术支撑。