CN110184570B - 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法 - Google Patents

一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110184570B
CN110184570B CN201910483499.9A CN201910483499A CN110184570B CN 110184570 B CN110184570 B CN 110184570B CN 201910483499 A CN201910483499 A CN 201910483499A CN 110184570 B CN110184570 B CN 110184570B
Authority
CN
China
Prior art keywords
connector
cavity
fuel cell
protective film
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910483499.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110184570A (zh
Inventor
武俊伟
张三立
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN201910483499.9A priority Critical patent/CN110184570B/zh
Publication of CN110184570A publication Critical patent/CN110184570A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110184570B publication Critical patent/CN110184570B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021Cleaning or etching treatments
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08Oxides
    • C23C14/085Oxides of iron group metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24Vacuum evaporation
    • C23C14/32Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325Electric arc evaporation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/54Controlling or regulating the coating process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58After-treatment
    • C23C14/5846Reactive treatment
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223Composites
    • H01M8/0228Composites in the form of layered or coated products
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域,尤其涉及一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法。所述制备方法包含以下步骤:将固体氧化物燃料电池连接体放置于腔体中,选用电弧源对该连接体进行辉光清洗;向该腔体充入惰性气体并调节该腔体的真空度,对该连接体进行电弧离子镀膜,在连接体的表面形成Mn/Co保护膜;对连接体表面的Mn/Co保护膜氧化生成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜,或,所述制备方法包含以下步骤:固体氧化物燃料电池连接体放置于腔体中,选用电弧源对该连接体进行辉光清洗;向该腔体充入氧气或氧气与惰性气体的混合气,通过充入的氧气或混合气调节腔体真空度,对所述连接体进行电弧离子镀膜,在连接体的表面形成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。

Description

一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域,尤其涉及一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法。
背景技术
近年来,石油、煤炭等传统石化能源储量的下降导致国际油价高居不下,加之全球气候变暖、环境污染问题越发严重,开发新能源以及合理利用能源、提高能源利用率已成为各国研究的重点。燃料电池不需经过燃料燃烧过程可直接将化学能转化为电能,有效地提高了燃料利用率,是一种更高效、环保的能源利用方式,其中固体氧化物燃料电池(Solidoxide fuel cell,SOFC)因其燃料利用率高、燃料适应范围广、无污染、成本较低、无噪音等特点,成为目前研究的重点。连接体作为相邻电池间阴阳极传递电子的桥梁,约占整个电池堆成本的33%,连接体不仅仅要与电池其他组元有良好的匹配性,更要适应复杂气氛的工作环境以保持长期稳定性,连接体的稳定性与电化学性能对固体氧化物燃料电池堆起着至关重要的作用,其中金属连接体不仅能在阳极支撑SOFC系统中起到支撑其他电池组件、传导气体的作用,还具有更高的导热性能,能够迅速地将反应所产生的热量传导出去,以免局部温度过高从而降低燃料电池的使用寿命,然而在固体氧化物燃料电池工作的环境中,金属连接体表层容易氧化生成氧化物Cr2O3,使连接体的面电阻(ASR:Area SurfaceResistivity)增加,降低连接体的导电性,且Cr元素的挥发使阴极中毒从而影响电池的使用寿命,解决这一问题最简单有效的方法就是制备连接体保护膜。MnxCo3-xO4系列尖晶石保护膜不含稀土元素,同时拥有与铁素体不锈钢极好的热匹配性,极大地降低了连接体在阴极氧化气氛中的面电阻,有效地防止了Cr元素的外扩散降低阴极中毒现象,从而提高了电池的使用寿命。中国专利(张慧慧,朱明,王志华,一种导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法,中国专利号:CN105332029B)公开了一种固体氧化物燃料电池连接体导电耐蚀钴锰尖晶石涂层的制备方法,该方法制备的涂层与基底结合良好、工艺简单、具有良好的导电性与耐蚀性,证明了钴锰尖晶石涂层的可行性,但是通过电化学沉积的方式制备的涂层应力复杂容易造成开裂,且电流与电压可能不稳定出现涂层厚度不均匀从而影响性能的现象。中国专利(马欣新,唐光泽,甄淑颖,一种固体氧化物燃料电池不锈钢连接体尖晶石氧化物保护涂层的制备方法,中国专利号:CN105239050B)公开了一种固体氧化物燃料电池不锈钢连接体尖晶石氧化物保护涂层的制备方法,该保护涂层致密性良好,与基体结合力好且厚度可调,但磁控溅射加后续退火处理制备尖晶石氧化物的方式工艺复杂、成本高昂不适合工业化生产。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法,该制备方法利用电弧离子镀的方式制备锰钴类保护膜,将其氧化后最终形成锰钴类尖晶石氧化物保护膜,该方法采用电弧离子镀法解决了现有技术中的钴锰类尖晶石涂层厚度不均匀从而导致连接体性能差等缺陷,并有效地提高固体氧化物燃料电池连接体高温抗氧化、抗阴极中毒等性能。
(二)技术方案
为了达到上述目的,本发明采用的主要技术方案包括:
该制备方法具体包括以下步骤:
S1:将固体氧化物燃料电池连接体放置于一腔体中,选用电弧源对固体氧化物燃料电池连接体进行辉光清洗;
S2:向该腔体充入惰性气体,通过该惰性气体调节该腔体的真空度,对所述连接体进行电弧离子镀膜,在连接体的表面形成Mn/Co保护膜;
S3:对连接体表面的Mn/Co保护膜进行氧化,生成致密的(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜;
或者,所述制备方法包含以下步骤:
步骤1:固体氧化物燃料电池连接体放置于一腔体中,选用电弧源对固体氧化物燃料电池连接体进行辉光清洗;
步骤2:向该腔体充入氧气或氧气与惰性气体的混合气,通过充入的氧气或混合气调节所述腔体的真空度,对所述连接体进行电弧离子镀膜,在连接体的表面形成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
根据本发明,所述固体氧化物燃料电池连接体的材质为430不锈钢、304不锈钢、Crofer22APU合金等铁铬基铁素体合金其中的一种。
根据本发明,在步骤S1或步骤1之前还包括对所述固体氧化物燃料电池连接体进行表面处理的步骤,所述表面处理包括除油、除杂、机械抛光和超声清洗其中的一种或几种。
根据本发明,优选地,表面处理的这四个步骤按顺序进行,若未经过以上步骤对连接体表面进行清洗,将出现电弧离子镀过程中离子与连接体结合力不够而导致脱模的现象。
根据本发明,步骤S1或步骤1中,所述电弧源中,Mn与Co的摩尔比为0~80:100~20。
根据本发明,步骤S1或步骤1中,所述腔体真空度为9×10-5Pa~1×10-3Pa,腔体中足够的真空度保证了电子与离子有足够的能量电离分子。
根据本发明,步骤S1或步骤1中,所述连接体温度为100℃~500℃,腔体温度超过100℃时,有效地蒸发了腔体中的水,进而达到去杂质的效果。
根据本发明,步骤S1或步骤1中,所述辉光清洗偏压为200V~600V,清洗偏压选用大电压保证了杂质被完全清洗。
根据本发明,步骤S2或步骤2中,所述腔体真空度为9×10-5Pa~1×10-1Pa。该腔体真空度为充入气氛后的腔体真空度,并非腔体的本底真空度,本底真空度与步骤S2中的辉光清洗腔体真空度保持一致。
根据本发明,步骤S2或步骤2中,所述连接体温度为100℃~500℃,连接体温度在镀膜过程中主要影响膜层的热应力,在镀膜过程中离子轰击在连接体上会产生一定热量,若连接体温度与其温度差过大则会增加膜层热应力,从而引发膜层开裂现象。
根据本发明,步骤S2或步骤2中,所述电弧电流为20A~200A,所用电弧源起弧电流越大,沉积速度越快,但同时也会导致膜层不够致密,内应力过大。
根据本发明,步骤S2或步骤2中,所述基板偏压为-300V~0V。
根据本发明,步骤S2或步骤2中,所述镀膜时间不小于10min,镀膜速度由电弧电流决定,时间决定膜层的厚度。
根据本发明,步骤S3所述的氧化的方法为:
方法A、将表面形成有Mn/Co保护膜的连接体在电堆中组装,在固体氧化物燃料电池的测试或运行过程中,使Mn/Co保护膜被原位氧化成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜;
或者:
方法B、将表面形成有Mn/Co保护膜的连接体放在有氧气氛中加热氧化,使Mn/Co保护膜被氧化成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
根据本发明,方法A中,在测试或运行过程中原位氧化的氧化温度为400℃至800℃。
根据本发明,方法B中,所述加热氧化温度为200℃至1000℃。
根据本发明,方法B中,所述加热到氧化温度后进行氧化的时间不小于30min。
(三)有益效果
本发明的有益效果是:本发明采用电弧离子镀法制备了固体氧化物燃料电池连接体的Mn/Co保护膜,该方法工艺简单,成本低廉,易于批量生产,同时可在固体氧化物燃料电池连接体在电堆中组装后,测试过程中原位氧化制备(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜,结构稳定且与连接体结合力良好,能有效地提高固体氧化物燃料电池连接体高温抗氧化、抗阴极中毒等性能。
附图说明
图1是实施例1中电弧离子镀制备的Mn/Co保护膜XRD成分分析;
图2是实施例1中电弧离子镀制备的Mn/Co保护膜SEM图;
图3是实施例1中原位氧化制备的(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜XRD成分分析;
图4是实施例1中原位氧化制备的(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜SEM图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明,以便于理解,下面通过具体实施方式,对本发明作详细描述。
实施例1
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn与Co摩尔比为50:50的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为800V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气通入腔体,调整氩气量使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-100V,进行电弧离子镀膜。镀膜程序设置为每连续镀膜120min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出。
直接将有锰钴类尖晶石保护膜的430不锈钢连接体组装固体氧化物燃料电池堆中,阴极通入空气,阳极通入3%H2\97%Ar混合气体,电堆运行温度设置为650℃,SOFC电堆进入工作状态,Mn/Co保护膜在电堆测试过程中原位氧化生成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
分别对固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到14μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到14.8μm;同时膜层面电阻由最初的10mΩ/cm2,经过300h增长到14mΩ/cm2,再到500h的18mΩ/cm2,最后到1000h的21mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到89.15404mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
实施例2
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn与Co摩尔比为30:70的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为500V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气通入腔体,调整氩气量使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-10V,进行电弧离子镀膜。镀膜程序设置为每连续镀膜120min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出。
直接将制备好的430不锈钢连接体装入固体氧化物燃料电池堆中。阴极通入空气,阳极通入3%H2\97%Ar混合气体,电堆运行温度设置为650℃,SOFC电堆进入工作状态。Mn/Co保护膜在电堆测试过程中原位氧化生成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
分别对固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到17μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到18.3μm;同时膜层面电阻由最初的15mΩ/cm2,经过300h增长到20mΩ/cm2,再到500h的23mΩ/cm2,最后到1000h的25mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到94.84624mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
实施例3
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn与Co摩尔比为50:50的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为500V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气通入腔体,调整氩气量使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-10V,进行电弧离子镀膜。镀膜程序设置为每连续镀膜30min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出。
直接将制备好的430不锈钢连接体装入固体氧化物燃料电池堆中。阴极通入空气,阳极通入3%H2\97%Ar混合气体,电堆运行温度设置为650℃,SOFC电堆进入工作状态。Mn/Co保护膜在电堆测试过程中原位氧化生成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
分别对固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到10μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到12.8μm;同时膜层面电阻由最初的17mΩ/cm2,经过300h增长到22.5mΩ/cm2,再到500h的27mΩ/cm2,最后到1000h的33mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到96.50603mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
实施例4
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn/Co摩尔比为50:50的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为500V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气通入腔体,调整氩气量使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-10V,进行电弧离子镀膜。镀膜程序设置为每连续镀膜120min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出。
直接将制备好的430不锈钢连接体装入固体氧化物燃料电池堆中。阴极通入空气,阳极通入3%H2\97%Ar混合气体,电堆运行温度设置为750℃,SOFC电堆进入工作状态。连接体保护膜在电堆测试过程中原位氧化生成具有锰钴类尖晶石氧化物保护膜。
分别对固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到16μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到17μm;同时膜层面电阻由最初的10mΩ/cm2,经过300h增长到15mΩ/cm2,再到500h的19.7mΩ/cm2,最后到1000h的22.8mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到92.84627mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
实施例5
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn与Co摩尔比为50:50的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为800V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气通入腔体,调整氩气量使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-100V,进行电弧离子镀膜。镀膜程序设置为每连续镀膜120min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出。
将具有Mn/Co保护膜的430不锈钢连接体置于空气气氛中650℃保温10h,升温速度为4℃/min,降温速度为2℃/min,得到具有(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜的燃料电池连接体。
分别固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到18μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到19.4μm;同时膜层面电阻由最初的15mΩ/cm2,经过300h增长到20mΩ/cm2,再到500h的23.7mΩ/cm2,最后到1000h的24.8mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到94.79483mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
实施例6
准备一片工业生产的厚度为1mm的430铁素体不锈钢SOFC连接体,其质量分数wt%:Cr 16.5,Mn 0.6,Si 0.5,C 0.1,Fe bal.,wt%:重量百分比,bal:其余。将连接体依次进行除油、除杂、机械抛光、超声清洗后,得到干净的固体氧化物燃料电池连接体。
选用Mn与Co摩尔比为50:50的电弧源,装好弧块、连接体后对腔体进行抽真空,目标腔体真空度为1×10-4Pa,同时对腔体进行加热,目标温度为200℃,在蒸发水蒸气等杂质气体的同时提高连接体温度加强离子与连接体的结合力。在腔体真空度及温度达到目标值后,打开电弧开关,进行偏压为800V的辉光清洗,辉光清洗时间为30min,如若电弧处仍有火花溅出可适当增加辉光清洗时间。
辉光清洗后,将氩气和氧气通入腔体,调整氩气与氧气的量(氩气与氧气比为1:1)使腔体真空度保持在0.1Pa,腔体温度保持在200℃不变,设置电弧电流为30A,基板偏压为-100V,进行电弧离子镀膜,镀膜程序设置为每连续镀膜120min后关闭弧块,解除腔体真空状况,降低腔体温度至室温,关闭机器电源,将制备好的430不锈钢连接体取出,直接获得具有(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜的燃料电池连接体。
分别对固体燃料电池堆进行了随时间氧化膜层厚度及ASR变化测试,测试结果显示:用该方法制备的氧化膜膜层总厚度变化规律随氧化时间呈抛物线规律生长,在前300h迅速生长到21μm,并在之后的1000h小时中轻微生长到22.1μm;同时膜层面电阻由最初的17mΩ/cm2,经过300h增长到22mΩ/cm2,再到500h的24.5mΩ/cm2,最后到1000h的25.3mΩ/cm2,用公式对其氧化行为进行拟合,结果表明40000h后面电阻将达到97.17682mΩ/cm2,小于连接体100mΩcm2的要求。
本发明采用电弧离子镀法制备了固体氧化物燃料电池连接体Mn/Co保护膜,该方法工艺简单,成本低廉,易于批量生产,同时可在固体氧化物燃料电池连接体在电堆中组装后,测试过程中原位氧化制备(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜,结构稳定且与连接体结合力良好,能有效地提高固体氧化物燃料电池连接体高温抗氧化、抗阴极中毒等性能。
需要理解的是,以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点,其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法,其特征在于,所述制备方法包含以下步骤:
S1:将固体氧化物燃料电池连接体放置于一腔体中,选用电弧源对固体氧化物燃料电池连接体进行辉光清洗;
S2:向该腔体充入惰性气体,通过该惰性气体调节该腔体的真空度,对所述连接体进行电弧离子镀膜,在连接体的表面形成Mn/Co保护膜;
对所述连接体进行电弧离子镀膜时,腔体真空度为9×10-5Pa至1×10-1Pa,连接体温度为100℃至500℃,电弧电流为20A至200A,基板偏压为-300V至0V,电弧离子镀膜时间不小于10min;
S3:对连接体表面的Mn/Co保护膜进行氧化处理,生成致密的(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜;所述氧化处理为:
将表面形成有Mn/Co保护膜的连接体在电堆中组装,在固体氧化物燃料电池的测试或运行过程中,使Mn/Co保护膜被原位氧化成(Mn,Co)3O4尖晶石氧化物保护膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述固体氧化物燃料电池连接体的材质为铁铬基铁素体合金。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述固体氧化物燃料电池连接体的材质为430不锈钢、Crofer22APU合金其中的一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在步骤S1或步骤1之前还包括对所述固体氧化物燃料电池连接体进行表面处理的步骤,所述表面处理包括除油、除杂、机械抛光和超声清洗其中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在步骤S1中,对所述固体氧化物燃料电池连接体进行辉光清洗时,所述电弧源中的Mn与Co的摩尔比为0~80:100~20,腔体真空度为9×10-5Pa至1×10-3Pa,连接体温度为100℃至500℃,辉光清洗偏压为200V-600V。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:在固体氧化物燃料电池测试或运行过程中原位氧化的氧化温度为400℃至800℃。
CN201910483499.9A 2019-06-04 2019-06-04 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法 Active CN110184570B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910483499.9A CN110184570B (zh) 2019-06-04 2019-06-04 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910483499.9A CN110184570B (zh) 2019-06-04 2019-06-04 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110184570A CN110184570A (zh) 2019-08-30
CN110184570B true CN110184570B (zh) 2021-11-23

Family

ID=67720236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910483499.9A Active CN110184570B (zh) 2019-06-04 2019-06-04 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110184570B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112018417A (zh) * 2020-07-16 2020-12-01 哈尔滨工业大学(深圳) 固体氧化物燃料电池电解质层或电解质阻挡层的制备方法
CN112195444A (zh) * 2020-08-17 2021-01-08 徐州华清智能装备有限公司 一种固体氧化物燃料电池电堆连接体保护涂层的制备方法
CN113067007B (zh) * 2021-03-19 2022-08-23 哈尔滨工业大学(深圳) 一种固体燃料电池复合密封层及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102653858A (zh) * 2012-05-28 2012-09-05 哈尔滨工业大学深圳研究生院 磁控溅射与后续氧化制备MnCo尖晶石保护膜的方法
CN104393315A (zh) * 2014-10-09 2015-03-04 大连海事大学 一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体及其制造方法
CN104878354A (zh) * 2015-01-14 2015-09-02 东北大学 平板式中温固体氧化物燃料电池金属连接体用涂层

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102653858A (zh) * 2012-05-28 2012-09-05 哈尔滨工业大学深圳研究生院 磁控溅射与后续氧化制备MnCo尖晶石保护膜的方法
CN104393315A (zh) * 2014-10-09 2015-03-04 大连海事大学 一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体及其制造方法
CN104878354A (zh) * 2015-01-14 2015-09-02 东北大学 平板式中温固体氧化物燃料电池金属连接体用涂层

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Advanced PVD protective coatings for SOFC interconnects;Paul Gannon et al.;《INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY》;20080219(第33期);3991–4000 *
Microstructural and electrical characterization of Mn-Co spinelprotective coatings for solid oxide cell interconnects;S. Molin et al.;《Journal of the European Ceramic Society》;20170721(第37期);4781–4791 *
固体氧化物燃料电池金属连接体保护涂层的制备方法概述;曹希文等;《中国陶瓷》;20150731;第51卷(第7期);1-7 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110184570A (zh) 2019-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102473935B (zh) 固体高分子型燃料电池隔膜用钛材及其制造方法
CN110184570B (zh) 一种固体氧化物燃料电池连接体保护膜的制备方法
CN110684946B (zh) 一种金属双极板高导电耐蚀防护涂层及其制备方法与应用
CN110284102B (zh) 一种金属碳化物晶体复合涂层及其制备方法
CN110137525A (zh) 一种燃料电池金属双极板涂层及制备技术
CN103548193A (zh) 不锈钢板或片的表面修整和向该表面施加层的方法,通过该方法制成的互连板和该互连板在燃料电池堆中的用途
JP5006648B2 (ja) 耐酸化性フェライト系ステンレス鋼
CN210628419U (zh) 一种燃料电池金属双极板涂层
EP2136427A1 (en) Fuel Cell Interconnect Structures, And Related Devices And Processes
CN104878354A (zh) 平板式中温固体氧化物燃料电池金属连接体用涂层
JP5139997B2 (ja) 燃料電池用セパレータおよびその製造方法
CN114481048B (zh) 高导电耐蚀非晶/纳米晶复合共存的涂层及其制法与应用
SE528303C2 (sv) Bandprodukt med en spinell- eller perovskitbildande beläggning, elektrisk kontakt och metod att framställa produkten
CN114464818A (zh) 一种提高质子交换膜燃料电池极板用钛及钛合金表面性能的低成本表面处理方法
CN115029663A (zh) 金属极板复合涂层、金属极板及其制备方法和燃料电池
CN114976089A (zh) 一种含涂层的金属双极板及其制备方法
CN112820890B (zh) 一种防腐导电涂层制备方法、结构以及燃料电池极板
CN117276359A (zh) 一种隧穿氧化多层结构及其制备方法与应用
CN116103625A (zh) 一种Cr掺杂的MAX相涂层的其制备方法及双极板和燃料电池
CN111477899A (zh) 一种用于燃料电池的导电耐蚀金属双极板及制备方法
CN116855900A (zh) 一种改性碳基复合涂层及制备方法、双极板
CN111342073A (zh) 一种用于燃料电池的导电耐蚀钛制金属双极板及制备方法
CN113445014A (zh) 氢燃料电池钛双极板表面功能涂层工艺
CN112018417A (zh) 固体氧化物燃料电池电解质层或电解质阻挡层的制备方法
CN117587357B (zh) 一种可用于质子交换膜燃料电池的金属双极板及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant