SOFC鐵素體不銹鋼連接體用NiFe2O4基涂層的制備與高溫性能.pdf

1、連接體作為固體氧化物燃料電池(SOFC)的重要組件之一,不僅起著連接電池陰陽極、隔絕陰陽極氣氛、導(dǎo)通電流等作用，而且與電池的成本、工作效率、使用壽命均密切相關(guān)。作為SOFC的連接體材料不僅要具有與電池其他組件相匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)，良好的抗高溫氧化性能和高溫導(dǎo)電性能，而且應(yīng)具有成本低廉、易于加工等特點(diǎn)。隨著SOFC技術(shù)的發(fā)展，其工作溫度從最初的1000℃降至600-800℃，目前，商業(yè)合金中最適合用作連接體材料的是鐵素體不銹鋼。但

2、仍需解決兩個問題:一是高溫下Cr元素?fù)]發(fā)至電池陰極降低電池效率;二是富Cr氧化膜增長導(dǎo)致面比電阻增大。解決此問題最簡單、經(jīng)濟(jì)的方法是在鐵素體不銹鋼表面制備一層抗氧化、導(dǎo)電涂層。NiFe2O4尖晶石與鐵素體不銹鋼連接體CTE匹配良好，高溫下展現(xiàn)出優(yōu)異的阻Cr能力，并且高溫電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于富Cr氧化膜，是一種十分合適的涂層。本文通過電沉積Ni-Fe合金，復(fù)合電沉積NiFe-Nb、NiFe-CeO2合金再經(jīng)高溫氧化的方法分別制備了NiFe2O4、

3、NiFe2O4-Nb、NiFe2O4-CeO2尖晶石涂層。另外，為了阻止Ni-Fe合金涂層與基體之間的元素互擴(kuò)散，預(yù)先在430鐵素體不銹鋼(430SS)上制備一層CrN擴(kuò)散障，再電沉積Ni-Fe合金，經(jīng)高溫氧化得到NiFe2O4/CrN涂層。并研究了NiFe2O4尖晶石在800℃空氣與潮濕空氣中的氧化行為和導(dǎo)電性能。論文取得的主要成果如下:
　　(1)探索了Ni-Fe合金成分與FeSO4濃度、電流密度及鍍液溫度的關(guān)系，進(jìn)一步研究了

4、合金涂層成分、厚度和預(yù)氧化溫度對生成NiFe2O4尖晶石的影響。并得出三種合適的合金涂層:1μm厚Ni-15at.％Fe，2μm厚Ni-15at.％Fe和4μm厚Ni-25at.％Fe。氧化結(jié)果顯示，經(jīng)適宜的氧化處理后涂層均一定程度上降低了氧化膜的面比電阻，并且NiFe2O4有效地阻擋了Cr元素的外擴(kuò)散。但是NiFe2O4并沒有降低Cr2O3的生長速度。在長期氧化過程中，氧化膜/基體界面處生長了一些孔洞。NiFe2O4涂層提高了合金在高

5、溫潮濕空氣中的抗氧化能力。
　　(2)采用復(fù)合電沉積NiFe-Nb合金涂層+高溫氧化法制備了Nb-NiFe2O4涂層。并測試了涂層對430SS不銹鋼高溫氧化性能和導(dǎo)電性能的影響。一些結(jié)果總結(jié)如下:在Ni-Fe合金涂層中加入4.2at.％Nb可以提高其抗氧化性能，降低Cr2O3的生長速度，降低面比電阻;加入過量Nb則損害了Ni-Fe合金涂層的抗氧化性能，增大了氧化膜的面比電阻。Nb改變了Ni-Fe合金涂層表面氧化膜的生長機(jī)制，即從外

6、擴(kuò)散生長為主轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)擴(kuò)散生長為主，從而減少了界面孔洞的形成，提高了氧化膜的粘附性。Nb摻雜于NiFe2O4中有助于抑制氧的內(nèi)擴(kuò)散，促進(jìn)Cr2O3膜的生長。
　　(3)采用復(fù)合電沉積法在430SS表面制備了NiFe-CeO2合金涂層。在800℃空氣氧化過程中合金涂層轉(zhuǎn)化為雙層氧化膜結(jié)構(gòu):外層為NiFe2O4尖晶石層，內(nèi)層為Cr2O3層。CeO2的加入有效地降低了Cr2O3的生長速度，減少了氧化膜/基體界面的孔洞，進(jìn)一步提高了430S