[发明专利]具有高温导电性的尖晶石粉末及其合成方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种具有高温导电性的Mn_1-xCu_xCo_yO₄尖晶石粉末及其合成方法和其涂层制备工艺，应用于固体氧化物燃料电池金属连接体表面防护。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell)是在高温下将燃料和氧化剂反应产生的化学能转化为电能的固态电子学设备。固体氧化物燃料电池与低温燃料电池相比，有以下几个优点：高热能转化效率、快速的电子运动、很好的耐催化毒性能力以及能直接使用碳氢化合物燃料。金属连接体与毗邻的电池结构导电的同时也要分离燃料和氧化剂。近些年，许多研究焦点已经转向通过将固体氧化物燃料电池工作温度降到(500～800℃)来提高电池的寿命和稳定性的研究。在低温工作环境中，金属材料可以替代昂贵的LaCrO₃基陶瓷材料，作为金属连接体。一些含有Cr₂O₃的合金，比如ZMG232和AISI430被广泛应用于金属连接体，因为它们中Cr₂O₃层具有良好的导电性和匹配的热膨胀系数。但是，如果在固体氧化物燃料电池的工作温度下，这些合金暴露在氧化性气氛中，会导致Cr₂O₃层的生长，增加了金属连接体表面阻抗。甚者，由于Cr₂O₃氧化层的增长，Cr元素会向电池阴极扩散，对阴极产生阴极毒化，严重影响阴极寿命。有效的解决途径是在金属连接体表面涂覆一层保护层。保护层的必要条件是：高导电性、高密度、高稳定性及与金属基体结合强度。各种导电的氧化物，如钙钛矿系，氧化锆系都被用作涂层材料进行研究。根据目前的研究现状，可将其尖晶石膜层材料分为含Cr尖晶石和无Cr尖晶石两类。Petric等人曾对含有Al、Cr、Mn、Fe、Co、Mg、Ni、Cu、Zn元素的尖晶石涂层进行了彻底的研究，并对它们的导电性和热膨胀系数做了对比。含Cr尖晶石膜层MgCr₂O₄、Mn_1.2Cr_1.8O₄、NiCr₂O₄、CuCr₂O₄、ZnCr₂O₄、CoCr₂O₄等导电性很差(除CoCr₂O₄膜层外，其他电导率都在0.01-0.4Scm^-1左右)、热膨胀系数为7×10^-6K^-1(不锈钢板的CTE在11×10^-6K^-1左右)，并且存在严重的Cr挥发等问题，商业化前景不好，因此，无Cr膜层材料才是研究重点。在所有无Cr尖晶石膜层中，与铁素体不锈钢CTE最匹配为含Fe元素的尖晶石，而导电性较好的为Cu_1.3Mn_1.7O₄(225Scm^-1，750℃)、MnCo₂O₄(60Scm^-1，800℃)尖晶石结构。综合这两个因素，适合做SOFC不锈钢金属连接板尖晶石膜层材料有CuFe₂O₄、Co₃O₄、Mn_xCo_3-xO4(x＝0～3)等，其中Mn_xCo_3-xO₄(x＝0～3)膜层性能最好，且不含稀土元素，成本低，被认为最有效最合理的SOFC不锈钢金属连接板尖晶石膜层材料。