[发明专利]固体氧化物燃料电池的焊接接头

说明书

优先权声明

本申请要求2005年9月30日提交的美国临时申请号60/722573的优先权。

发明背景

1.技术领域

本发明一般涉及用于固体氧化物燃料电池的金属结构，更具体地，本发明涉及用于固体氧化物燃料电池的金属互连、金属框和金属框密封材料。

2.背景技术

在固体氧化物燃料电池(SOFC)中，可渗透的阳极和阴极装在固体电解质的两侧，固体电解质的阴极一侧暴露在氧气(通常是空气)中，诸如氢气或氢气前体之类的燃料在阳极一侧。一般的电解质材料是氧化物-离子传导性的。氧气在阴极被还原成氧离子(oxide ions)，通过电解质迁移至阳极与燃料发生反应。由此在阳极-阴极对间逐渐积聚的多余的电荷提供电流的来源。由于单一的阳极/阴极对间产生的开路电压接近1伏，所以通常把许多阴极/阳极对相互串联以提供可用于工业的电压和功率。但是，如果互连电阻率太高，大部分产生的电能转变为热能，不能作为电输出。

除了初始电阻率要低以外，互连材料的选择应该基于氧化性质，这样材料长时间暴露在高温下可以提供保护氧化层，该保护氧化层不会随时间变化迅速生长，也不会增加电阻率。一些金属材料长时间暴露在高温下也会导致组成元素的蒸发。这不仅有利于互连材料的降解，也容易污染电池的其它功能组件，降低电池的性能。因此，互连材料在工作温度下表现稳定也是很重要的。

因此，SOFC互连需要具有以下几种性质：在还原和氧化环境中高温下的长期化学稳定性；在相同条件下的高电子传导性和低离子传导性；低接触电阻；与相关的燃料电池组件非常匹配的热膨胀性质；能经受重复的温度循环的机械耐久性；当然还有较低廉的成本。固体氧化物燃料电池的框架或电池壁材料需要具有许多相同的性质，但不需要具备高电子传导性，并额外需要与电解质匹配的热膨胀性质。

陶瓷和贵金属互连材料对于大批量生产应用来说通常太昂贵。人们建议并调查发现市售的高铬铁素体钢和它的变体是具有所需组合性质的主要非贵金属材料。在这些合金的表面形成氧化铬层以保护材料主体。所述的氧化铬层提供适度低的电阻率，并在一定程度上耐受氧化和还原环境。但是，在常规的燃料电池工作温度下，挥发性的氧化铬或含氧氢氧化物或其它可迁移的物质的形成容易污染电池，降低阴极和其它组件的性能。

尽管高铝含量的铁素体钢(它形成氧化铝层)因生长十分缓慢并且氧化铝具有极好的耐久性而通常具有更高的化学稳定性，但是人们通常避免使用这种材料，因为氧化铝层的电阻率很高。通常避免将形成氧化铝的合金用作燃料电池互连材料的一个例外是，人们已经将离子注入法用作增加形成互连材料的铁素体钢上的这种保护氧化铝层的导电性的方法。人们需要更廉价的替代物。

发明概述

本发明的一个方面涉及形成用于固体氧化物燃料电池的电互连的方法，该方法包括以下步骤：提供一种高温含铝的形成表面氧化铝的钢；由这种钢形成互连结构；从将形成电接触的互连的表面部分除去任何铝层；提供一种其表面部分与互连的表面部分将电接触的结构；将所述的互连的表面部分铜焊到所述结构的表面部分。可以使用本发明的方法将一个互连结构(高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构)与另一个互连结构连接，或者与汇流条或集电器连接，或者直接与电极或电解质表面连接，诸如基于氧化锆的电解质材料的表面。

在该方法中使用的钢最好是具有0.1至10％、更优的0.1至7％、最优的3至6％铝的含铬铁素体钢。使用的铜焊填充材料最好是活性铜焊材料，并且最好在真空下使用(铜焊)。

本发明的另一方面涉及用于固体氧化物燃料电池的互连，该互连包括高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构、与高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构电连接的二级结构、以及在高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构和第二结构之间的铜焊接头。所述第二结构也可以是高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构，或它可以是集电器汇流条，诸如银钯汇流条，或它可以是电极或电解质材料。

在另一方面，本发明涉及一种燃料电池装置，该装置包括燃料电池组和使燃料电池组互相电连接的互连结构，其中所述互连结构由以下部件形成：(1)高温含铝的形成表面氧化铝的钢，(2)与所述高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构电连接的结构，以及(3)在所述高温含铝的形成表面氧化铝的钢结构和所述与之电连接的结构之间的铜焊接头。