铁素体不锈钢表面电沉积-热处理制备Co-Mn尖晶石涂层的研究进展

铁素体不锈钢(ferritic stainless steel,FSS)是中温化环境中固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)的理想连接体材料。但由于FSS中含有较多的Cr元素,在SOFC工作过程中,连接体表面生成的Cr氧化物薄膜增厚,会造成连接体导电性能下降;FSS中的Cr元素与H_(2)O或O_(2)发生反应,还会形成易挥发的化合物,这些化合物在阴极界面沉积,将使阴极活性降低,导致阴极“Cr中毒”和SOFC性能衰减,严重制约了SOFC商业化发展和应用。采用电沉积-热处理技术在FSS表面制备Co-Mn尖晶石保护涂层可有效防止Cr化合物的挥发,改善电池堆的抗氧化性能。在保证SOFC导电性的同时,延长其使用寿命。综述了FSS表面电沉积-热处理制备Co-Mn尖晶石涂层的主要方法、特点及涂层性能等方面的研究进展,对该领域未来的发展趋势进行了展望。

STS321不锈钢的抗氧化性能

提出使用一种新的耐高温不锈钢STS321(Cr18Ni9Ti)用做中低温固体氧化物燃料电池(SOFC)的连接体,研究了其在空气中的循环氧化行为。在温度低于700℃时,不锈钢几乎不被氧化。在700～800℃时的氧化曲线为典型的抛物线,氧化活化能为105.4kJ/mol。在800℃氧化800h,在氧化初期的200h内形成氧化层保护膜后,其质量一直保持恒定。在温度达到900℃时,氧化膜保护层由于挥发而失去保护作用,外层开始脱落,不锈钢质量降低。表明STS321合金在抗氧化方面非常适合用作中低温SOFC(400～800℃)的连接体材料,而其他性能有待进一步探讨。

Mn_(1.5-0.5x)Co_(1.5-0.5x)Cu_xO_4尖晶石粉体及涂层的制备与性能

采用溶胶-凝胶法制备Mn1.5-0.5xCo1．5-0．5xCuxO4（x=0、0．1、0．2、0．3和0．4，摩尔分数）尖晶石粉体，并将该粉体涂覆在SUS430合金表面，经高温烧结后制成涂层。研究Cu含量对尖晶石的晶体结构、热膨胀行为和高温电导率的影响，测试Mn1.35Co1.35Cu0.3O4涂层的抗氧化性能。结果表明：随Cu含量增加，Mn1.5-0.5xCo1．5-0．5xCuxO4尖晶石的物相组成由立方-四方复合相逐渐转变为纯立方相。当x=0时，物相为立方-四方复合相；x≥0．2时，物相转变为纯立方相。尖晶石的热膨胀系数（CTE）随Cu含量增加而增大，原本出现在500℃左右CTE降低的现象被抑制。在30-800℃范围内，Mn1.35Co1.35Cu0.3O4尖晶石涂层的CTE与SUS430不锈钢相匹配（分别为12．45×10^-6和12×10^-612．4×10^-6K^-1）。此外，该尖晶石的高温电导率随Cu含量增加而升高，800℃以下电导率均大于1.3S／cm，符合连接体材料电导率的要求。涂覆Mn1.35Co1.35Cu0.3O4尖晶石涂层后，SUS430合金在800℃的氧化速率下降87．5％。因此，涂覆Mn1.35Co1.35Cu0.3O4尖晶石涂层的SUS430合金可以用作固体氧化物燃料电池（SOVC）连接体。