尖晶石涂层的制备方法及其在制备固体氧化物燃料电池中的应用技术

本发明专利技术提供了一种尖晶石涂层的制备方法及其在制备固体氧化物燃料电池中的应用，涉及涂层材料技术领域。所述尖晶石涂层的制备方法为首先提供硝酸盐溶液，随后利用超声雾化喷涂的方法将硝酸盐溶液喷涂于铁素体不锈钢表面，形成附载在铁素体不锈钢表面的尖晶石氧化物薄膜；所述硝酸盐溶液中含有尖晶石涂层形成所需的金属；重复上述喷涂的步骤直至铁素体不锈钢表面形成5～50μm厚的尖晶石氧化物薄膜，烧结，制备得到尖晶石涂层。上述制备方法具有制备工艺简单，易于操作的特点，可以生成质地均匀致密的尖晶石涂层。同时，本申请利用超声雾化喷涂制备尖晶石涂层的方法相对于现有尖晶石涂层制备方法具有能耗低、材料利用率高、环境友好的优势。境友好的优势。境友好的优势。

【技术实现步骤摘要】
尖晶石涂层的制备方法及其在制备固体氧化物燃料电池中的应用


[0001]本专利技术涉及涂层材料
，尤其是涉及一种尖晶石涂层的制备方法及其在制备固体氧化物燃料电池中的应用。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种通过电极反应直接将燃料的化学能转化为电能的电化学装置，其具有能量转化效率高、环境污染小、噪音低、可靠性高并易于建设的优势。按所用电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池、质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池等。
[0003]固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是指使用固体氧化物为电解质且在高温下工作的燃料电池。通常使用诸如用氧化钇稳定的氧化锆(Y2O3‑
Stabilized
‑
ZrO2，简称YSZ)等固态陶瓷电解质，在650
‑
1000℃的温度下进行工作。SOFC主要由固体氧化物电解质、面向燃料气的阳极和面向空气的阴极组成。在SOFC的工作过程中，氧分子在阴极上被还原成为氧离子。氧离子在电位差和氧浓度驱动力的作用下，通过电解质中的氧空位向阳极迁移，并与燃料气(如H2，CO)在阳极表面发生氧化反应，生成H2O和CO2，同时释放电能。SOFC与其他几种燃料电池相比，具有许多显著优点：
[0004]1)由于电池为全固体结构，避免了液态电解质腐蚀和泄露问题；
[0005]2)由于不使用贵金属，生产成本大大降低；
[0006]3)其余热可用于热电联供，总能量转化效率可达80％以上；
[0007]4)燃料适用范围广，几乎可适用于所有可燃烧的燃料，包括H2、CO、CH4和其他碳氢气态化合物。
[0008]SOFC单体电池正常工作时可产生0.8V左右的电压。为了增加电压和输出功率，在实际应用中，SOFC的单体电池需要以串联形式做成电池堆。经过长期研究和优化，目前采用的SOFC电池堆结构类型主要有管式、套管式、瓦楞式和平板式等，其中平板式电池堆因制作成本低、工艺简单、能量密度高，成为商业化的首选方案。
[0009]在平板式电池堆中，为了将相邻两块单电池之间的燃料气和空气隔开，需要在两块电池之间置一块隔板，同时连接一个电池的阴极和另一个电池的阳极，此隔板被称为连接体。连接体作为SOFC电池中的关键组件之一，其作用是在相邻的单电池之间传输电子和分割燃料气与空气。它能分配气流，提供气体在两侧流通时的通道，将燃料气和氧化气输送到电极，参与电化学反应，还能移走电化学反应的产物，保证电化学反应持续进行。在大部分平板式电池堆的设计中，连接体也用作电池堆的支撑体，以保证电池堆的机械性能稳定。
[0010]近年来，随着SOFC的技术进步，SOFC工作温度已经降到了800℃以下，允许选择一些低成本、易加工的耐高温合金取代传统的陶瓷连接体。与陶瓷材料相比，金属材料通过外层电子迁移导电，其导电能力优良，作为连接体时其欧姆损失可以忽略。此外，金属连接体的导电能力不受氧分压的影响，扩大了SOFC的应用范围。以铁素体不锈钢为主要材料成分
的连接体的高热导率能够消除连接体横向和纵向的温度梯度，也能够适应由热膨胀系数不同而引起的热应力。此外，铁素体不锈钢还具有致密、制造成本低、力学强度高、密度低、抗蠕变性好等优点，因而成为了SOFC连接体广泛选用的材料。
[0011]然而铁素体不锈钢的主要种类有SUS430不锈钢、SUS441不锈钢、Crofer
‑
APU22不锈钢等，其主要成分为77
‑
82％的铁和17
‑
22％的铬。在SOFC工作环境(650
‑
800℃)下，铁素体不锈钢连接体易被氧化。在电池阴极侧，铁素体不锈钢在高温下同空气中的氧气发生如下反应：
[0012]4Cr+3O2＝2Cr2O3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0013]经过长期高温处理后，铁素体不锈钢表面会形成一层导电性较差的Cr2O3，使SOFC电池堆性能急剧衰减。在有水蒸气存在的情况下，还会同水蒸气及阴极材料中的碱土金属离子发生如下反应：
[0014]2Cr2O3+3O2+4H2O＝4Cr(OH)2O2(g)
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(2)
[0015]Cr(OH)2O2+SrO＝SrCrO4+H2O
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(3)
[0016]Cr(OH)2O2+BaO＝BaCrO4+H2O
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(4)
[0017]该反应破坏了阴极的钙钛矿结构，削弱了阴极材料对氧离子的传导能力，且反应所生成的铬酸盐(SrCrO4、BaCrO4)化学性质稳定，极易堆积在阴极表面，阻碍阴极材料与氧气的正常接触。在经过长期高温处理后，SOFC电池堆中的阴极性能会发生大幅衰减，最终导致SOFC电池堆完全失效。
[0018]因此，针对铁素体不锈钢表面的氧化反应所带来的一系列问题，在连接体表面研究制备一层导电性良好、既可以保护连接体不被氧化、也可以保护阴极不被铬侵蚀的尖晶石涂层，变得十分必要和迫切。
[0019]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0020]本专利技术的第一目的在于提供一种尖晶石涂层的制备方法，所述制备方法具有制备工艺简单，易于操作，经济性强的优势，可以生成质地均匀致密的尖晶石涂层。
[0021]本专利技术的第二目的在于提供一种尖晶石涂层制备方法的应用，所述尖晶石涂层的制备方法可以广泛应用于固体氧化物燃料电池的制备过程中。
[0022]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0023]本专利技术提供的一种尖晶石涂层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0024](a)、提供硝酸盐溶液，随后利用超声雾化喷涂的方法将硝酸盐溶液喷涂于铁素体不锈钢表面，然后加热铁素体不锈钢至硝酸盐溶液的分解温度，形成附载在铁素体不锈钢表面的尖晶石氧化物薄膜；
[0025]所述硝酸盐溶液中含有尖晶石涂层形成所需的金属；
[0026](b)、重复步骤(a)，直至铁素体不锈钢表面形成5～50μm厚的尖晶石氧化物薄膜，烧结，制备得到尖晶石涂层。
[0027]进一步的，所述尖晶石涂层中尖晶石的分子式为AB2O4，其中，A、B均为金属；所述硝酸盐溶液中含有金属A和B；
[0028]优选地，所述金属A为Cu、Mn或Ni中的一种；所述金属B为Co、Cr或Te中的一种。
[0029]进一步的，所述硝酸盐溶液为硝酸铜与硝酸钴的混合溶液；
[0030]优选地，所述混合溶液中硝酸铜与硝酸钴的摩尔比为1：2。
[0031]进一步的，所述超声雾化喷涂的喷涂压力为0.2～10.0MPa，优选为5.0Mpa；
[0032]优选地，所述超声雾化喷涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(a)、提供硝酸盐溶液，随后利用超声雾化喷涂的方法将硝酸盐溶液喷涂于铁素体不锈钢表面，然后加热铁素体不锈钢至硝酸盐溶液的分解温度，形成附载在铁素体不锈钢表面的尖晶石氧化物薄膜；所述硝酸盐溶液中含有尖晶石涂层形成所需的金属；(b)、重复步骤(a)，直至铁素体不锈钢表面形成5～50μm厚的尖晶石氧化物薄膜，烧结，制备得到尖晶石涂层。2.根据权利要求1所述的尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，所述尖晶石涂层中尖晶石的分子式为AB2O4，其中，A、B均为金属；所述硝酸盐溶液中含有金属A和B；优选地，所述金属A为Cu、Mn或Ni中的一种；所述金属B为Co、Cr或Te中的一种。3.根据权利要求1所述的尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，所述硝酸盐溶液为硝酸铜与硝酸钴的混合溶液；优选地，所述混合溶液中硝酸铜与硝酸钴的摩尔比为1：2。4.根据权利要求1所述的尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，所述超声雾化喷涂的喷涂压力为0.2～10.0MPa，优选为5.0Mpa；优选地，所述超声雾化喷涂过程中，硝酸盐溶液输送至超声分散器的速率为0.2～4.0ml/min，优选为1.0ml/min。5.根据权利要求1所述的尖晶石涂层的制备方法，其特征在于，所述超声雾化喷涂过程中，超声雾化喷涂的喷涂距离为50～100mm，优选为80mm；优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：金奕千，熊星宇，彭苏萍，杨志宾，郝国政，郝旺舒，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：