[发明专利]尖晶石/金属基体复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池金属连接体表面防护涂层，具体而言是涉及一种借助合金熔炼所制得的合金电极材料，运用高能微弧合化工艺制备出的具有高温耐蚀导电的Cu_yMn_3-yO₄尖晶石涂层。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。固体氧化物燃料电池的应用范围相当广泛，几乎涵盖了所有的传统的电力市场，包括宅用、商业用、工业用以及公共事业用发电厂等，甚至便携式电源、移动电源、偏远地区用电及高品质电源等，还可作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源。其中以静置型的商业用电源、工业用热电合并系统及小型电源市场较为看好。

随着SOFC技术的发展，SOFC的工作温度已从1000℃降到650℃-800℃，使得用金属材料替代传统钙钛矿陶瓷制造连接体成为可能。和陶瓷材料相比，金属材料具有高的电子电导率和热导率、低成本、易加工及机械强度高等优点，受到广泛关注。在中温SOFC操作温度范围内，金属材料仍面临着高温氧化问题。只有表面形成Al₂O₃、SiO₂或Cr₂O₃氧化膜的合金才具备抗高温氧化要求。然而，由于Al₂O₃和SiO₂的电导率太低，故Al₂O₃和SiO₂膜形成合金不适合用作连接体材料，只有形成Cr₂O₃氧化膜的合金最有希望用作固体氧化物燃料电池连接体材料。目前以铁素体不锈钢金属基材作为SOFC连接器材料是最好的选择之一，其拥有较好的抗腐蚀性能、匹配的热膨胀系数以及成本低等优点。但由于在SOFC 工作期间，Cr氧化后所形成的Cr₂O₃或Cr₂(OH)₂以蒸汽的形式扩散到阴极而导致阴极中毒现像，以至于缩短了SOFC的使用寿命。

为了提高SOFC的使用寿命，选择在固体氧化物燃料电池金属连接体表面沉积一层防护涂层，该涂层既能提高金属连接器抗氧化性能又能防止Cr挥发。近年来，可应用于SOFC金属连接体涂层材料得到广泛研究，目前涂层材料主要分为以下四类材料：活性元素氧化物、稀土钙钛矿氧化物、MAlCrYO耐高温合金材料和高温耐蚀导电尖晶石。研究得较多的高温耐蚀导电尖晶石涂层具有高电子传导率和低离子传导率，具有与相邻的燃料电池部件相近的热膨胀系数和化学相容性。

发明内容

为了提高固体氧化燃料电池金属连接材料的高温抗氧化性以及防止高温下铬化物挥发所引发的阴极中毒现象，本发明的目的在于提供一种尖晶石/不锈钢复合材料，可以弥补金属连接材料高温抗氧化性不足等缺点。其中，Cu_yMn_3-yO₄尖晶石结构氧化物的热学和电学性能优良，其电导率在800℃下约为 100-200Scm^-1，具有与金属合金相近的热膨胀系数。除此之外Cu_yMn_3-yO₄尖晶石有着特殊的晶体结构，使得其在200℃～1600℃下稳定性较好，高温抗氧化性较好，适合应用于金属连接体表面保护涂层，可达到提高固体氧化燃料电池金属连接材料的高温抗氧化性以及防止铬化物挥发的双重目的，具有很好的应用前景。

本发明的另一个目的在于提供一种高温耐蚀导电Cu_yMn_3-yO₄尖晶石/不锈钢复合材料的制备方法，先通过真空合金熔炼技术熔炼出MnCu合金电极材料，再运用高能微弧合金工艺化将其沉积在金属基材表面，经高温氧化后得Cu_yMn_3-yO₄高温耐蚀导电涂层。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下的技术方案：