[發明專利]一種錳鈷尖晶石涂層的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202111550682.X
• 申請日: 2021-12-17
• 公開（公告）號: CN114318248A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 劉長磊;金奕千;靳現林;王巍;張曉宇;由曉彬;劉大為;許瀟涵
• 申請（專利權）人: 國家能源集團新能源有限責任公司;中國礦業大學（北京）
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/14;C23C14/58;C22C19/07;C22C1/02;H01M8/021;H01M8/0228
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;鄧樹山

本發明提出了一種錳鈷尖晶石涂層的制備方法及應用。本發明通過將待噴涂基體與錳鈷靶材共置于真空無氧環境內，使用高溫電弧加熱錳鈷金屬靶材，使其氣化并使錳鈷蒸氣充滿整個腔體；使樣品保持較低溫度如300℃，使錳鈷蒸氣在待噴涂基體表面凝華形成錳鈷金屬預涂層；然后將表面帶有錳鈷金屬預涂層在待噴涂基體在高溫空氣中氧化，得到錳鈷尖晶石涂層。本發明得到的錳鈷尖晶石涂層質地均勻致密，高溫下導電性良好，其面比電阻可以達到10mΩ·cm2以下，具備良好的穩定性，在500小時的范圍內無明顯電阻上升；可以廣泛應用于固體氧化物燃料電池中。

技術領域

本發明涉及涂層材料技術領域，尤其涉及一種錳鈷尖晶石涂層的制備方法及其應用。

背景技術

化石能源在我國能源結構和能源消費中占主導地位，成為影響我國能源安全和生態環境的關鍵問題，因此，尋求和發展高效清潔的新能源，對于改善能源結構，促進綠色低碳發展，加快環境治理，推動能源向多元化發展，具有非常重要的意義。

燃料電池是一種通過電極反應直接將燃料的化學能轉化為電能的電化學裝置，是繼水利、火力和核能之后的新一代發電技術。其能量轉化效率高、環境污染小、噪音低、可靠性高并易于建設，受到了廣泛的關注。燃料電池按所用電解質的不同，可分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池、質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等。其中固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,簡稱SOFC)使用的電解質為固態非多孔金屬氧化物，通常為三氧化二釔穩定的二氧化鋯(Y₂O₃-Stabilized-ZrO₂，簡稱YSZ)，在650-1000℃的溫度下進行工作。SOFC主要由固體氧化物電解質、面向燃料氣的陽極和面向空氣的陰極組成。在SOFC的工作過程中，氧分子在陰極上被還原成為氧離子。氧離子在電位差和氧濃度驅動力的作用下，通過電解質中的氧空位向陽極遷移，并與燃料氣(如H₂，CO)在陽極表面發生氧化反應，生成H₂O和CO₂，同時釋放電能。

固體氧化物燃料電池(SOFC)與其他幾種燃料電池相比，具有許多顯著優點：1)由于電池為全固體結構，避免了液態電解質腐蝕和泄露問題；2)由于不使用貴金屬，生產成本大大降低；3)其余熱可用于熱電聯供，總能量轉化效率可達80％以上；4)燃料適用范圍廣，幾乎可適用于所有可燃燒的燃料，包括H2、CO、CH4和其他碳氫氣態化合物。固體氧化物燃料電池(SOFC)單體電池正常工作時可產生0.8V左右的電壓。為了增加電壓和輸出功率，在實際應用中，SOFC的單體電池需要以串聯形式做成電池堆。經過長期研究和優化，目前采用的SOFC電池堆結構類型主要有管式、套管式、瓦楞式和平板式等，其中平板式電池堆因制作成本低、工藝簡單、能量密度高，成為商業化的首選方案。

在平板式電池堆中，為了將相鄰兩塊單電池之間的燃料氣和空氣隔開，需要在兩塊電池之間置一塊隔板，同時連接一個電池的陰極和另一個電池的陽極，此隔板被稱為連接體。連接體作為SOFC電池中的關鍵組件之一，其作用是在相鄰的單電池之間傳輸電子和分割燃料氣與空氣。它能分配氣流，提供氣體在兩側流通時的通道，將燃料氣和氧化氣輸送到電極，參與電化學反應，還能移走電化學反應的產物，保證電化學反應持續進行。在大部分平板式電池堆的設計中，連接體也用作電池堆的支撐體，以保證電池堆的機械性能穩定。

隨著SOFC的技術進步，SOFC工作溫度已經降到了800℃以下，因此，允許選擇一些低成本、易加工的耐高溫合金取代傳統的陶瓷連接體。與陶瓷材料相比，金屬材料通過外層電子遷移導電，其導電能力優良，作為連接體時其歐姆損失可以忽略。此外，金屬連接體的導電能力不受氧分壓的影響，擴大了SOFC的應用范圍。

以鐵素體不銹鋼為主要材料成分的連接體的高熱導率能夠消除連接體橫向和縱向的溫度梯度，也能夠適應由熱膨脹系數不同而引起的熱應力。此外，鐵素體不銹鋼還具有致密、制造成本低、力學強度高、密度低、抗蠕變性好等優點，因而成為了SOFC連接體廣泛選用的材料。