【摘 要】
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固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前发展在科研前列的一种新型燃料电池,连接体是SOFC中的关键组件之一。随着中温SOFC技术的不断成熟,铁素体不锈钢应用于连接体材料已经一种成为可能。但是,在SOFC的工作环境中,铁素体不锈钢表面会不断发生氧化。随着氧化时间的延长,铁素体不锈钢表面Cr2O3膜逐渐增厚,连接体的面比电阻会不断增加;同时,Cr2O3膜发生转变成为CrO3(g)或CrO2(OH)2(g)
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固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前发展在科研前列的一种新型燃料电池,连接体是SOFC中的关键组件之一。随着中温SOFC技术的不断成熟,铁素体不锈钢应用于连接体材料已经一种成为可能。但是,在SOFC的工作环境中,铁素体不锈钢表面会不断发生氧化。随着氧化时间的延长,铁素体不锈钢表面Cr2O3膜逐渐增厚,连接体的面比电阻会不断增加;同时,Cr2O3膜发生转变成为CrO3(g)或CrO2(OH)2(g)等高价氧化物挥发出来,导致单电池阴极毒化。在不锈钢表面施加抗高温氧化且导电的防护涂层是目前解决这一问题的有效途径。本文首先在铁素体不锈钢表面预镀一层Cu,然后采用电泳的方法在样品表面沉积均匀分布的Mn304粒子,最后在粒子孔隙之中电镀沉积金属Cu,获得Cu镶嵌Mn3O4的Cu-Mn304复合涂层。本文采用电泳等量的Mn3O4粒子,主要研究电镀沉积工艺参数(镀液pH、镀液温度、阴极电流密度和电镀时间)对复合涂层中Mn3O4粒子含量的影响,从而得到电泳-电镀沉积Cu-Mn3O4复合涂层的最佳工艺条件;通过最佳工艺条件,研究Cu-Mn304复合涂层在800℃空气中的短期和长期高温氧化行为,并用SEM、EDS和XRD等分析手段表征氧化膜的相结构、表面和断面微观形貌及元素分布。此外,利用四点法测试复合涂层高温氧化后的面比电阻(ASR),得出的主要结论如下:电泳-电镀沉积Cu-Mn304复合涂层的最佳工艺条件:镀液温度50℃,阴极电流密度15 mA.cm-2,镀液pH为9,电镀时间10 min。此条件下制备的涂层与基体结合良好,厚度约为5.5 μm,涂层中Mn3O4的含量最高且分布最均匀。将最佳工艺得到的涂覆样品进行短期氧化,涂覆样品在氧化初期增重明显,随后增重缓慢。氧化1h后表面生成了三层结构的氧化膜:外层为CuO,中间层为(Cu,Mn,Fe)3O4,内层为Cr2O3。氧化时间至100 h后,Cr2O3层厚度基本不变,表明氧化过程中生成的CuO/(Cu,Mn,Fe)3O4有效抑制了Cr的向外扩散。电性能测试表明,涂覆样品氧化100h的ASR值为22.9 mΩ·cm2,说明其具有良好的电性能。将最佳工艺得到的涂覆样品进行长期氧化,涂覆样品在第1周内增重明显,1周后增重基本稳定。涂覆样品在氧化到前5周时,表面致密均匀,未发现有空洞和裂痕,同时生成了三层结构的氧化膜,中间层由(Cu,Mn,Fe)304和(Cu Mn,Fe,Cr)3O4两种尖晶石构成,其余结构与短期氧化时一致。在氧化到第10周时,表面转化为(Cu,Mn,Fe,Cr)3O4尖晶石,很好地阻止了内层Cr2O3的向外生长。复合涂层样品氧化10周的ASR值为25.7 mΩ·cm2小于正常工作标准1100mΩ·cm2,因此复合涂层样品的导电性能满足要求。
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