获奖项目名称：

燃料电池用新型无铬连接体及防护涂层的材料设计、制备及性能研究

第一完成单位：

青岛大学

项目联系人：

郑莉莉

联系人电话：

15689128691

联系人邮箱：

llzheng@qdu.edu.cn

项目简介：

2.1 研究目的
  燃料电池技术是实现国家“双碳”战略目标的重要支撑。本项目围绕固体氧化物燃料电池核心部件连接体材料亟待突破的使役性能关键瓶颈，通过Nb掺杂调控氧化膜的微观结构和性能，研制出综合性能优于合金连接体的(Ti,M)3SiC2 (M=Nb, Ta, W)材料，同时开发了MAX相材料低成本磁控溅射沉积技术，研制出合金连接体用Ti,Nb-Si-C防护涂层体系，破解了固体氧化物然锂电池Cr毒化难题，加速推动氢能产业链高质量发展。
2.2主要科学发现点
  2.2.1 SOFC用新型无铬导电陶瓷连接体
  （1）基于半导体掺杂原理提出高电导率低生长速率氧化膜设计策略。通过对Ti3SiC2中Ti位置进行适量的Nb元素掺杂，改变氧化膜中TiO2缺陷浓度，从而使保护性差、电导率低的双层氧化膜转变为(Ti,Nb)O2和SiO2均匀混合的单层氧化膜，氧化速率常数降低2个数量级。同时，氧化膜中 (Ti,Nb)O2形成导电网络，通过Nb掺杂提高了TiO2中自由电荷浓度，使其电导率得到进一步提升，从而提升了氧化膜整体的导电性能。
  （2）首次提出掺杂改性Ti3SiC2固溶体作为SOFC连接体材料，研究了其在SOFC阴/阳极环境下长期氧化行为及导电性能。Ti3SiC2具有与合金相当的电导率和热导率、良好的抗热震与抗蠕变性能、与SOFC部件相匹配的热膨胀系数，针对其抗氧化性和氧化膜导电性不足的问题，创新性地在Ti位置掺杂Nb、Ta或者W元素形成(Ti,M)3SiC2 (M=Nb, Ta, W)固溶体材料，明确了该材料在SOFC阴极和阳极环境下长期氧化过程中氧化动力学规律和导电性能，揭示了Nb、W和Ta元素对氧化膜性能的提升机理，澄清了掺杂量对性能的影响规律，为发展新型无Cr连接体材料奠定理论基础。
  2.2.2 SOFC合金连接体用高性能涂层
  （1）开发了合金连接体Ti,Nb-Si-C防护涂层体系。基于磁控溅射技术，研制出合金连接体(Ti，Nb)-Si-C非晶防护涂层，氧化后构筑Cr2O3内层和(Ti,Nb)O2+SiO2外层氧化膜，使氧化速率常数下降60%，面比电阻下降62%。针对涂层晶化退火过程中与基体互扩散的问题，提出了内层TiC，外层(Ti,Nb)3SiC2的双层涂层体系，使连接体氧化速率常数下降77%，面比电阻下降63%，并且Cr的外扩散得到有效抑制。
  （2）创新了MAX相材料低成本磁控溅射沉积技术。提出采用新型的低温热压多相复合靶材，通过物理气相沉积、随后热处理的“两步法”，制备出Cr2AlC，Nb2AlC、Ti3SiC2等MAX相涂层。该方法解决了单靶沉积相应 MAX 相涂层，成本较高、元素比例偏离，多靶沉积工艺复杂、重复性差的难题。既保持了单靶沉积的易操控性，同时又使得靶材制备工艺简单化，能够高效低成本地制备MAX相涂层，加速推动(Ti,Nb)3SiC2涂层作为SOFC金属连接体防护涂层的商业化应用。
2.3 成果产生的价值
  本项目获2项国家自然科学基金项目青年基金资助，获1项山东省自然科学基金项目面上基金资助，发表SCI论文28篇，总被引400余次；获授权发明专利9项。项目总体成果达到了国际先进水平，其中在改性Ti3SiC2块体和涂层材料的制备理论与技术方面处于国际领先。本项目对于推动我国在固体氧化物能燃料电池领域的国际竞争力具有重要的意义。