一種固體氧化物燃料電池不銹鋼連接體尖晶石氧化物保護涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固體氧化物燃料電池不銹鋼連接體尖晶石氧化物保護涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell, S0FC)是一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量裝置，作為一種全固態(tài)的高溫燃料電池，不存在電解質(zhì)泄漏的風險，運行溫度高，可采用廉價的金屬氧化物替代貴金屬作為催化材料，此外還具有能量轉(zhuǎn)化效率高，燃料適用性廣，環(huán)境相容性好等顯著優(yōu)點，在分布式電站，家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)，以及作為船舶、車輛等的動力電源有著廣泛的應(yīng)用前景，成為各國競相開發(fā)的新能源技術(shù)。
[0003]根據(jù)氫氧燃料電池的工作原理，S0FC單體電池僅能提供0.7?0.8V左右的電壓，為滿足實際應(yīng)用的電壓要求，需要將單體電池串聯(lián)起來構(gòu)成電池堆。在兩個單體電池之間，采用致密的連接體連接，連接體一方面起傳導(dǎo)電流的作用，另一方面還能夠隔離燃料氣和氧化氣，并且表面存在的溝槽起到提供氣體通路的作用。由于固體氧化物燃料電池工作溫度較高，因此對于連接體材料要求較高，除了其具有良好的導(dǎo)電性外，還需要具有穩(wěn)定性，氣密性，導(dǎo)熱性，并且其熱膨脹系數(shù)應(yīng)與電池其它組件相匹配，此外還應(yīng)該具有較好的抗氧化、鉻毒化能力，在高溫下具有足夠高的強度和抗蠕變性能及可塑性好等性能。
[0004]隨著S0FC工作溫度從高溫(1000°C )降低至中低溫(600?800°C )，具有優(yōu)異導(dǎo)電性，高強度，低成本，較好加工性能的不銹鋼材料作為連接體材料引起廣泛關(guān)注。特別是鐵素體基不銹鋼材料(SUS430、SUS441、ZMG232L、ZMG232J3、ZMG232G10、APU22 等)與 S0FC的電極材料、電解質(zhì)材料和密封材料具有良好的熱匹配性和化學(xué)穩(wěn)定性，并且其抗氧化能力較好，成本較低，是S0FC連接體的首選材料。但是在S0FC工作溫度下，不銹鋼連接體氧化速率較高，氧化層容易脫落，并且不銹鋼材料當中的起抗氧化作用的Cr元素在工作過程中會發(fā)生揮發(fā)，造成陰極出現(xiàn)Cr中毒現(xiàn)象，從而影響了電池堆的性能。通過在不銹鋼連接體表面制備保護層，可以提高不銹鋼連接體的抗氧化能力，還能夠降低連接體與電極之間的界面電阻，并且在工作過程中能夠阻擋Cr元素的揮發(fā)，防止陰極毒化，提高了電池堆的長期穩(wěn)定性。
[0005]尖晶石氧化物材料(Co304，(Μη, Co) 304，(Cu, Μη) 304)具有較高的導(dǎo)電性，與鐵素體不銹鋼熱膨脹系數(shù)匹配，高溫下可以很好的阻擋Cr元素的擴散，能夠較好的保護陰極，是一種優(yōu)異的S0FC不銹鋼連接體保護涂層材料。傳統(tǒng)的保護涂層制備方法有絲網(wǎng)印刷法、噴涂法、電化學(xué)共沉積法等。絲網(wǎng)印刷或噴涂方法制備的保護涂層孔隙較多，與基體結(jié)合力差，不易獲得薄膜，在高溫長期測試過程中，基體表面的氧化膜層較厚，降低膜層結(jié)合力，不利于S0FC的長期穩(wěn)定性。電化學(xué)共沉積的難度較大，無法制備適當厚度的保護涂層薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是要解決傳統(tǒng)方法制備的保護涂層薄膜孔隙多、結(jié)合力差，不能制備適合厚度的尖晶石氧化物薄膜的問題，而提供一種固體氧化物燃料電池不銹鋼連接體尖晶石氧化物保護涂層的制備方法。
[0007]—、超聲清洗:將鐵素體基不銹鋼放入丙酮中在超聲頻率為40kHz的條件下超聲清洗兩次，每次超聲清洗時間為8min?15min，得到超聲處理后的鐵素體基不銹鋼；
[0008]二、預(yù)濺射處理:將步驟一得到的超聲處理后的鐵素體基不銹鋼放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為1.0X104Pa?1.0X103Pa，在電壓為100V?200V和氣壓為10Pa的條件下進行預(yù)濺射清洗lOmin?30min，得到預(yù)濺射處理后的鐵素體基不銹鋼；
[0009]三、合金薄膜制備:將合金靶材固定在靶位上，然后采用高功率脈沖電源對步驟二得到的預(yù)濺射處理后的鐵素體基不銹鋼的表面上沉積合金薄膜，在電壓為500V?700V、電流為10A?120A、氬氣氣壓為0.5?1.5Pa、脈寬為50 μ s?200 μ s和頻率100Hz?500Hz的條件下進行沉積，沉積時間為0.5h?5h，沉積完成后冷卻至室溫，得到表面沉積有合金薄膜的鐵素體基不銹鋼；
[0010]四、保護涂層制備:將步驟三得到的表面沉積有合金薄膜的鐵素體基不銹鋼置于空氣爐中，在升溫速率為3 V /min的條件下，將空氣爐中的溫度從室溫升溫至750 V后保溫lh，然后在降溫速率為3°C/min的條件下，將空氣爐中的溫度從750°C降溫至100°C，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面覆有尖晶石氧化物保護涂層的鐵素體基不銹鋼；所述表面覆有尖晶石氧化物保護涂層的鐵素體基不銹鋼表面的尖晶石氧化物保護涂層的厚度為0.1 μπι?10 μ mD
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明通過使用高功率脈沖磁控濺射的方法制備合金膜，并通過退火處理制備尖晶石氧化物保護涂層，制備了致密，結(jié)合力好，厚度可調(diào)(0.Ιμ???ΙΟμ??)的保護涂層。本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0013]1、制備了致密，結(jié)合力好，涂層厚度可調(diào)的保護涂層；保護涂層致密，沒有孔隙，采用不同的參數(shù)，可以制備不同厚度的薄膜，從納米級到微米級。
[0014]2、高溫抗氧化性能好，界面電阻低。
[0015]3、阻Cr性能好，有效防止陰極中毒；通過本發(fā)明制備的薄膜，在750°C，工作500小時后，膜層表面Cr含量為0，有效防止Cr揮發(fā)，保護陰極。
【附圖說明】
[0016]圖1為實施例一得到的表面覆有尖晶石氧化物保護涂層的鐵素體基不銹鋼的表面形貌圖。
【具體實施方式】
[0017]【具體實施方式】一:本實施方式一種固體氧化物燃料電池不銹鋼連接體尖晶石氧化物保護涂層的制備方法是按以下步驟進行:
[0018]—、超聲清洗:將鐵素體基不銹鋼放入丙酮中在超聲頻率為40kHz的條件下超聲清洗兩次，每次超聲清洗時間為8min?15min，得到超聲處理后的鐵素體基不銹鋼；
[0019]二、預(yù)濺射處理:將步驟一得到的超聲處理后的鐵素體基不銹鋼放到真空室內(nèi)的試樣臺上，抽真空至真空度為1.0X104Pa?1.0X103Pa，在電壓為100V?200V和氣壓為lOPa的條件下進行預(yù)濺射清洗lOmin?30min，得到預(yù)濺射處理后的鐵素體基不銹鋼；
[0020]三、合金薄膜制備:將合金靶材固定在靶位上，然后采用高功率脈沖電源對步驟二得到的預(yù)濺射處理后的鐵素體基不銹鋼的表面上沉積合金薄膜，在電壓為500V?700V、電流為10A?120A、氬氣氣壓為0.5?1.5Pa、脈寬為50 μ s?200 μ s和頻率100Hz?500Hz的條件下進行沉積，沉積時間為0.5h?5h，沉積完成后冷卻至室溫，得到表面沉積有合金薄膜的鐵素體基不銹鋼；
[0021]四、保護涂層制備:將步驟三得到的表面沉積有合金薄膜的鐵素體基不銹鋼置于空氣爐中，在升溫速率為3 V /min的條件下，將空氣爐中的溫度從室溫升溫至750 V后保溫lh，然后在降溫速率為3°C/min的條件下，將空氣爐中的溫度從750°C降溫至100°C，然后隨爐冷卻至室溫，得到表面覆有尖晶石氧化物保護涂層的鐵素體基不銹鋼；所述表面覆有尖晶石氧化物保護涂層的鐵素體基不銹鋼表面的尖晶石氧化物保護涂層的厚度為0.1 μπι?10 μ mD
[0022]本實施方式通過使用高功率脈沖磁控濺射的方法制備合金膜，并通過退火處理制備尖晶石氧化物保護涂層，制備了致密，結(jié)合力好，厚度可調(diào)(0.Ιμ???ΙΟμ??)的保護涂層。本實施方式具有以下優(yōu)點:
[0023]1、制備了致密，結(jié)合力好，涂層厚度可調(diào)的保護涂層；保護涂層致密，沒有孔隙，采用不同的參數(shù)，可以制備不同厚度的薄膜，從納米級到微米級。
[0024]2、高溫抗氧化性能好，界面電阻低。
[0025]3、阻Cr性能好，有效防止陰極中毒；通過本發(fā)明制備的薄膜，在750°C，工作500小時后，膜層表面Cr含量為0，有效防止Cr揮發(fā)，保護陰極。
[0026]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中所述鐵素體基不銹鋼為SUS430不銹鋼、SUS441不銹鋼、ZMG232L不銹鋼、ZMG232J3不銹鋼、ZMG232G10不銹鋼或APU22不銹鋼。其他與【具體實施方式】一相同。
[0027]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:步驟二中在電壓為100V?200V和氣壓為10Pa的條件下進行預(yù)濺射清洗20min。其他與【