專(zhuān)利名稱(chēng)：一種平板型固體氧化物燃料電池用Fe基連接板材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的合金材料，更具體地說(shuō)，它涉及一種固體氧化物燃料電池(SOFC)用金屬連接體材料。

背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿娜虘B(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，目前主要有管式和平板式兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般工作溫度在600-1000℃。它除了具有燃料電池的高能量轉(zhuǎn)換率、低污染等特點(diǎn)之外，還有燃料多樣化、電解質(zhì)容易管理和能夠制成復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可作為分布式發(fā)電設(shè)備和汽車(chē)輔助電源的應(yīng)用。
SOFC單體單元由陽(yáng)極、電解質(zhì)、陰極組成，連接板主要起到在相鄰的單體電池之間傳輸電子和分隔氧化氣與燃料氣的作用。因此，連接板必須滿(mǎn)足在SOFC的工作溫度(600-1000℃)下，在氧化和還原氣氛中組成和相穩(wěn)定，化學(xué)性能穩(wěn)定，熱膨脹系數(shù)與電解質(zhì)材料相匹配，具有良好的氣密性，并在高溫下具有良好的導(dǎo)電性。
連接板材料迄今主要發(fā)展了陶瓷材料和合金材料兩大類(lèi)。陶瓷材料，如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鉻酸鑭(LaCrO3)，由于在高溫下具有較好的電子導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，常被用作連接板材料使用。但是由于LaCrO3存在著在空氣中燒結(jié)性差、導(dǎo)熱性能差、成型困難及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足連接板的要求。
合金連接板材料迄今為止主要發(fā)展了Fe基、Cr基和Ni基等幾類(lèi)。金屬材料作為連接板材料有許多優(yōu)點(diǎn)高的電子傳導(dǎo)和熱導(dǎo)性，低成本，優(yōu)良的加工性能。但合金連接板的熱膨脹系數(shù)(TEC)一般要比氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)材料大，需要通過(guò)成分調(diào)整將其控制在12～13×10-6K-1。并且現(xiàn)有的合金連接板氧化速率較大，在長(zhǎng)期服役后接觸電阻較大也是需要解決的問(wèn)題。
CN1149892A中介紹了Fe-Cr-W-M，M為Y、Hf、Ce、La、Nd、Dy中的一種或兩種元素，并加入微量元素B，獲得了與氧化鋯相接近的熱膨脹系數(shù)，抗氧化性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的不銹鋼，但材料的導(dǎo)電性和力學(xué)性能仍不理想。在此基礎(chǔ)上，CN1222941A在Fe-Cr-W-M系合金中添加Co提高合金的高溫機(jī)械強(qiáng)度，添加Al改善其抗氧化性能，添加Ti、Zr、Hf中的至少一種以提高其高溫導(dǎo)電性能。各種合金元素的加入提高了合金的機(jī)械性能、抗氧化性能和導(dǎo)電性能，但同時(shí)也由于添加多種合金元素，使合金的成分更難于控制，同時(shí)提高了合金制備過(guò)程中的材料和工藝成本。CN1468970A介紹了一種Fe-Cr(15～30wt％)基合金，添加少量的Ni、Al、Zr、Si等合金元素，獲得的合金材料在600～1000℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)為11～13×10-6K-1，與現(xiàn)有的電解質(zhì)材料相匹配，但合金的高溫抗氧化性能仍有待提高。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新穎改進(jìn)的鐵基含鉻合金，這種材料具有與YSZ電解質(zhì)材料相近的熱膨脹系數(shù)，并具有良好的抗氧化性能和高溫導(dǎo)電性，適用于固體氧化物燃料電池連接板材料。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，提供一種適用于固體氧化物燃料電池連接板材料的合金，按重量比，包括Cr 11～25％，Gd 0.01～2.0％，W 0.01～5.0％，Mn 0.01～2.0％，Ti0.01～1.0％，Al 0.01～1.0％，Si 0.01～1.5％，F(xiàn)e≤89.0％。該合金制備簡(jiǎn)單，可以通過(guò)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的制造技術(shù)制備。
上述合金中，F(xiàn)e是合金體系中含量最多的基本元素，其原料易得，價(jià)格低廉，使合金的經(jīng)濟(jì)性得到控制；Cr是提高合金抗氧化性和調(diào)整熱膨脹系數(shù)的主要元素之一，在高溫下，Cr氧化生成一層氧化膜，阻止內(nèi)部金屬的進(jìn)一步氧化；Gd是提高抗氧化性的另一元素，增強(qiáng)了氧化膜對(duì)基體的結(jié)合力，降低了氧化膜的生長(zhǎng)速度；Ti、Al、Si也是提高抗氧化性的元素，在氧化過(guò)程中，這幾種元素都有在合金表面生成氧化物的傾向，并阻止基體的氧化；W和Mn的加入進(jìn)一步改善了合金與電池中其它組元的TEC匹配性；此外，由于基體內(nèi)部少量Mn元素的存在，在氧化過(guò)程中在合金表面生長(zhǎng)成一層具有保護(hù)性的MnCr2O4層，增強(qiáng)了合金在高溫下的電導(dǎo)率，同時(shí)進(jìn)一步調(diào)整熱膨脹系數(shù)以增強(qiáng)與電池其它組件的匹配性。
對(duì)獲得的合金進(jìn)行了300℃至800℃的熱膨脹系數(shù)測(cè)定，以及在750℃下的氧化增重和氧化后合金的面電阻測(cè)試。



附圖1是材料從300℃至800℃的熱膨脹系數(shù)； 附圖2是材料在750℃空氣中氧化1000h的增重曲線； 附圖3是材料在空氣中氧化1000h后的面電阻隨溫度的變化曲線；
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合實(shí)例和

本發(fā)明合金的特點(diǎn)。
實(shí)例1連接體材料的成分組成和性能 采用電弧熔煉的方法獲得合金，并通過(guò)機(jī)械加工方法制成所要求的形狀、尺寸的試樣，從而制備出具有其成分組成在下列范圍中的合金材料。按重量比，該合金包含Cr 11～25％，Gd 0.01～2.0％，W 0.01～5.0％，Mn 0.01～2.0％，Ti 0.01～1.0％，Al 0.01～1.0％，Si 0.01～1.5％，F(xiàn)e≤89.0％。在表1中給出了幾個(gè)具體的例子。
對(duì)表1中所述成分的合金，分別測(cè)量其300℃到800℃的熱膨脹系數(shù)，750℃下的氧化增重，氧化1000h后氧化膜的面電阻，分別見(jiàn)圖1、2、3。
表1連接板合金材料的成分組成 由圖1可以看出，材料在中溫固體氧化物燃料電池的工作溫度(～750℃)附近，具有與固體電解質(zhì)(11～13×10-6K-1)相接近的熱膨脹系數(shù)。在300～800℃范圍內(nèi)，材料的熱熱膨脹系數(shù)在11～13×10-6K-1范圍內(nèi)；添加了Mn元素的合金，即3#和4#合金，在750℃附近，材料的熱膨脹系數(shù)接近12.6×10-6K-1，進(jìn)一步提高了連接板材料與固態(tài)電解質(zhì)的熱膨脹匹配性。
由圖2和圖3可以看出，含有本發(fā)明成分的1#和2#合金，具有比參照合金高的抗氧化性能，并且氧化后生成的氧化膜的高溫面電阻較參照合金都有所改善。
權(quán)利要求
1.一種固體氧化物燃料電池(SOFC)合金連接板材料，其特征是按重量比，該材料含有Cr 11～25％，Gd 0.01～2.0％，W 0.01～5.0％，Mn 0.01～2.0％，Ti 0.01～1.0％，Al 0.01～1.0％，Si0.01～1.5％，F(xiàn)e≤89.0％。
2.如權(quán)利要求1中所述的合金材料，其特征在于它是平板型固體氧化物燃料電池中的單體電池連接材料。
3.如權(quán)利要求1，2中所述的合金材料，其特征在于，該材料在300～800℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)在11～13×10-6K-1范圍內(nèi)。
4.一種高溫合金材料，其特征是該材料適用于制造SOFC合金連接板，同時(shí)也適用于制造其它高溫結(jié)構(gòu)器件及連接器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種平板型固體氧化物燃料電池用Fe基連接板材料，按重量比，該材料含有Cr 11～25％，Gd 0.01～2.0％，W 0.01～5.0％，Mn 0.01～2.0％，Ti 0.01～1.0％，Al 0.01～1.0％，Si 0.01～1.5％，F(xiàn)e≤89.0％。該合金在300℃至800℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)在11～13×10-6K-1范圍內(nèi)，具有與固體氧化物燃料電池電解質(zhì)相接近的熱膨脹系數(shù)，是平板型固體氧化物燃料電池(SOFC)中的單體電池連接材料，并且具有較好的抗氧化性能和較低的高溫面電阻。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101760699SQ20101002812
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者吳朝玲, 陳云貴, 房玉超, 鄭群, 段曉波 申請(qǐng)人:四川大學(xué)