固体氧化物燃料电池合金连接体NiMn2O4尖晶石涂层稀土掺杂改性及作用机理研究

The Fe-Cr ferritic stainless steels are the prospective interconnect materials used for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). However, the long term performance of SOFC stacks is still limited due to poor oxidation-resistance and potential chromium (Cr) volatilization of the Fe-Cr alloy. Recently, the spinel coating is found to be effective in reducing the performance degradation of metallic interconnects. However, increase of interface resistance as well as decrease of interfacial adhesion between coating and substrate arises due to the rapid growth of Cr-containing transition oxide layer under long term oxidation. Based on the analysis above, to modify the NiMn2O4 spinel coating by doping rare earth elements has been proposed in present work. The electrophoretic deposition technique will be used to prepare the modified NiMn2O4 coatings on the surface of SUS 430 alloy. The effect of rare earth doping on the microstructure, oxidation behavior, conductive behavior and the interfacial reaction behavior of the doped-NiMn2O4 coated SUS 430 during long term oxidation will be comprehensively investigated. The working mechanism of rare earth doped NiMn2O4 coating on the high temperature oxidation-resistance and high temperature conductivity of metallic interconnect will be greatly clarified. Present study will play an important role in exploring experimental and theoretical basis for low-cost surface modification of metallic interconnect in IT-SOFCs.

Fe-Cr合金是中低温固体氧化物燃料电池理想的连接体材料，但其在高温下缺乏良好的抗氧化性能，且会引起阴极"Cr中毒"现象，影响了电池的高效安全运行。目前解决上述问题的主要方法是在合金表面开发尖晶石保护涂层，但长时间氧化过程中，涂层/基体间含Cr过渡氧化层会不断增长，导致涂层/合金界面电阻增大，涂层与基体结合力下降。本项目针对以上问题，以NiMn2O4尖晶石涂层为研究对象，提出拟通过稀土掺杂改性来改善涂层保护作用，采用电泳沉积技术在SUS430合金连接体表面制备改性NiMn2O4保护涂层，系统研究稀土掺杂对NiMn2O4尖晶石涂层保护合金微观组织结构、高温氧化行为、高温导电行为及相关界面反应行为的影响规律，阐明稀土掺杂改性NiMn2O4尖晶石涂层在影响合金连接体高温抗氧化性能及导电性能方面的作用机理。研究将为探索中低温固体氧化物燃料电池合金连接体低成本有效表面改性途径提供实验和理论依据。

Fe-Cr合金连接体是固体氧化物燃料电池堆的重要组件，但其在600-800 ℃工作时易被氧化，致使导电性能下降严重。尖晶石材料因其良好的中低温抗氧化性能、导电性能及适宜的热膨胀系数，在合金连接体保护涂层中得到了广泛应用。但长时间氧化过程中，涂层/基体间含Cr过渡氧化层会不断增长，导致涂层/合金界面电阻增大，涂层与基体结合力下降。. 针对以上问题，本项目以NiMn2O4尖晶石涂层为研究对象，通过稀土掺杂改性来改善涂层保护作用，采用电泳沉积技术在Fe-Cr合金（SUS430）连接体表面制备改性NiMn2O4保护涂层，系统研究了稀土掺杂对NiMn2O4涂层保护合金微观组织结构、高温氧化以及导电行为的影响规律，阐明了稀土掺杂改性NiMn2O4涂层在影响合金连接体高温抗氧化性能及导电性能方面的作用机理。. 项目研究结果表明，经800 ℃空气中168 h高温氧化，Y改性NiMn2O4涂层保护合金的抛物线氧化速率常数值（1.02×10-15 g2•cm-4•s-1）要比改性前试样低近80%，比Ce改性试样低近45%。同时Y掺杂改性NiMn2O4尖晶石涂层保护合金高温氧化过程中的面比电阻值（约14.3 mΩ•cm2）要低且稳定于改性前试样以及Ce改性试样的面比电阻值，说明Y掺杂改性更能有效改善和提高NiMn2O4尖晶石涂层保护合金的高温抗氧化性能以及高温导电性能。这主要是基于Y和Ce元素在涂层中存在位置和形式的差异，使得Y掺杂更能有效抑制O元素由涂层表面向基体内部的扩散，减少Cr2O3的生长，同时大量Y在尖晶石晶界的富集，可以进一步细化晶粒，改善涂层与基体间的有效结合，进而改善NiMn2O4涂层保护合金的高温综合应用性能。. 研究为探索固体氧化物燃料电池合金连接体保护涂层的低成本有效改性途径提供了实验和理论依据，对充分发挥Fe-Cr合金连接体优势，促进低成本固体氧化物燃料电池的发展和应用具有重要意义。