[發明專利]具有高溫導電性的尖晶石粉末及其合成方法和應用

在審

• 申請號: 201610998220.7
• 申請日: 2016-11-14
• 公開（公告）號: CN106587938A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 郭平義;張宇;邵勇;賴永彪;喬巖欣;劉寧
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: C04B35/01
• 分類號: C04B35/01;C04B35/626;C04B35/622;H01M8/0297
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明屬于固體氧化物燃料電池領域，具體涉及一種具有高溫導電性的Mn_1-xCu_xCo_yO₄尖晶石粉末及其合成方法和其涂層制備工藝，應用于固體氧化物燃料電池金屬連接體表面防護。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell)是在高溫下將燃料和氧化劑反應產生的化學能轉化為電能的固態電子學設備。固體氧化物燃料電池與低溫燃料電池相比，有以下幾個優點：高熱能轉化效率、快速的電子運動、很好的耐催化毒性能力以及能直接使用碳氫化合物燃料。金屬連接體與毗鄰的電池結構導電的同時也要分離燃料和氧化劑。近些年，許多研究焦點已經轉向通過將固體氧化物燃料電池工作溫度降到(500～800℃)來提高電池的壽命和穩定性的研究。在低溫工作環境中，金屬材料可以替代昂貴的LaCrO₃基陶瓷材料，作為金屬連接體。一些含有Cr₂O₃的合金，比如ZMG232和AISI430被廣泛應用于金屬連接體，因為它們中Cr₂O₃層具有良好的導電性和匹配的熱膨脹系數。但是，如果在固體氧化物燃料電池的工作溫度下，這些合金暴露在氧化性氣氛中，會導致Cr₂O₃層的生長，增加了金屬連接體表面阻抗。甚者，由于Cr₂O₃氧化層的增長，Cr元素會向電池陰極擴散，對陰極產生陰極毒化，嚴重影響陰極壽命。有效的解決途徑是在金屬連接體表面涂覆一層保護層。保護層的必要條件是：高導電性、高密度、高穩定性及與金屬基體結合強度。各種導電的氧化物，如鈣鈦礦系，氧化鋯系都被用作涂層材料進行研究。根據目前的研究現狀，可將其尖晶石膜層材料分為含Cr尖晶石和無Cr尖晶石兩類。Petric等人曾對含有Al、Cr、Mn、Fe、Co、Mg、Ni、Cu、Zn元素的尖晶石涂層進行了徹底的研究，并對它們的導電性和熱膨脹系數做了對比。含Cr尖晶石膜層MgCr₂O₄、Mn_1.2Cr_1.8O₄、NiCr₂O₄、CuCr₂O₄、ZnCr₂O₄、CoCr₂O₄等導電性很差(除CoCr₂O₄膜層外，其他電導率都在0.01-0.4Scm^-1左右)、熱膨脹系數為7×10^-6K^-1(不銹鋼板的CTE在11×10^-6K^-1左右)，并且存在嚴重的Cr揮發等問題，商業化前景不好，因此，無Cr膜層材料才是研究重點。在所有無Cr尖晶石膜層中，與鐵素體不銹鋼CTE最匹配為含Fe元素的尖晶石，而導電性較好的為Cu_1.3Mn_1.7O₄(225Scm^-1，750℃)、MnCo₂O₄(60Scm^-1，800℃)尖晶石結構。綜合這兩個因素，適合做SOFC不銹鋼金屬連接板尖晶石膜層材料有CuFe₂O₄、Co₃O₄、Mn_xCo_3-xO4(x＝0～3)等，其中Mn_xCo_3-xO₄(x＝0～3)膜層性能最好，且不含稀土元素，成本低，被認為最有效最合理的SOFC不銹鋼金屬連接板尖晶石膜層材料。