Массоперенос и формирование микроструктуры высокотемпературных защитных покрытий токовых коллекторов твердооксидных топливных элементов

Цель: исследование влияния высокотемпературной диффузии на эволюцию микроструктуры, химического и фазового составов защитных покрытий токовых коллекторов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), а также на удельное поверхностное сопротивление контакта токовый коллектор – катод ТОТЭ. Разработаны наноструктурированные защитные покрытия на основе металлического никеля, обеспечивающие рекордно низкие значения удельного поверхностного сопротивления в течение 30000 ч работы в условиях катодной камеры ТОТЭ фактически без деградации. Разработаны и запатентованы электродные контактные клеи, которые при сборке батарей ТОТЭ служат для обеспечения механического и электрического контактов металлических токовых коллекторов с керамическими катодами мембранно-электродных блоков. Показано, что в процессе работы ТОТЭ меняются микроструктура и состав защитных никелевых покрытий вследствие взаимной диффузии Ni из покрытия и Fe из токового коллектора из стали Crofer 22 APU. Обнаружено, что особенности диффузионных профилей распределения Cr и Ni в приповерхностном слое токового коллектора обусловлены протеканием реакции восстановления окисленного слоя никеля (NiO) хромом с образованием металлического Ni и островкового слоя Cr₂O₃. Предложен механизм процесса и изучена эволюция островковой микроструктуры Cr₂O₃, образующейся вблизи границы токовый коллектор - защитное покрытие. Получены нетипичные временные зависимости ρASR для токовых коллекторов с защитными никелевыми покрытиями в контакте с La₀,₈Sr₀,₂MnO₃(LSM) катодом. Показано, что уменьшение сопротивления определяется диффузией Ni из покрытия в объем стали Crofer 22 APU. Сопротивление перехода количественно описано в рамках модели барьеров Шоттки для перехода металл-полупроводник. Изучена кинетика окисления нержавеющих хромистых сталей марок Crofer 22 APU и 08Х18Т1 с защитными покрытиями на основе (Mn,Co)₃O₄ оксидов, полученными методом электростатического спрей-пиролиза, и без покрытий. Показано, что защитное покрытие на порядок снижает скорости окисления сталей. Показано, что покрытие на основе (Mn,Co)₃O₄ препятствует диффузии хрома к поверхности и само играет роль геттера, вступающего с Cr в реакцию с образованием под покрытием проводящего оксида состава Сr₁₊ₓMn₂₋ₓO₄. Перечисленные материалы применяются в технологической цепочке сборки батарей твердооксидных топливных элементов планарной конструкции, разработанных в ИФТТ РАН.