[发明专利]一种中温平板式固体氧化物燃料电池金属连接体用镍基膨胀合金

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别涉及一种中温平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)金属连接体用Ni基膨胀合金。

背景技术

固体氧化物燃料电池是一种用于直接将化学能转变为电能的装置。目前，氧化物燃料电池SOFC的结构大致分为两类，管式和平板式。管式SOFC一般工作在1000℃左右，其优点是密封简单，易于装配成相对大功率的模块，所面临的问题是功率密度低，制备工艺复杂。与管式SOFC相比，平板式SOFC则具有功率密度高、制备工艺简单，所面临的问题是密封困难。在固体氧化物燃料电池中，连接体材料有两个主要作用，连接单电池和隔离燃料气体的作用。要求连接体材料在工作温度下，要具有良好的导电性、导热性、气密性、化学稳定性。并且连接体材料与电解质材料的膨胀性系数要相匹配。

首先发展的连接体材料为陶瓷材料，主要是掺杂的LaCrO3陶瓷，其处于工作环境下具有很好的导电性、稳定性，并且膨胀系数具有良好的兼容性。其存在的主要问题有以下几点：①烧结性能差；②导热性不好；③成型困难；④形成氧空位。目前对于陶瓷连接体的研究主要是针对以上的问题进行，努力改善以适应SOFC的使用要求。由于SOFC研究的进展，包括降低电解质的厚度、发现高氧离子导电性电解质材料、发展和改进阴极材料以及阳极支撑单电池设计等，使SIFC的工作温度降低到了600～800℃的范围内，并具有相同的功率密度，固使得耐高温氧化低膨胀合金材料代替陶瓷材料作为SOFC连接体材料成为可能，从而使得金属连接体在SOFC中的应用成为可能。与掺杂的陶瓷材料相比，由于金属材料通过外层电子迁移导电，它的导电能力比掺杂的LaCrO₃大几个数量级，作为连接体时它的欧姆损失可以忽略。更重要的是金属连接体的导电能力不受氧分压得影响，扩大了SOFC的应用范围。另外金属还有致密、制造成本低、力学性能优良、密度低等优点。然而金属材料作为连接体材料在工作环境下的氧化是不可避免的，形成的氧化膜导致连接体和它相邻组件的接触电阻急剧增加，使电池的效率急剧下降。

目前，用作连接体的合金材料主要有Fe基、Ni基、和Cr基合金，这些合金材料通常含有Cr和Al等抗氧化组分，合金表面形成Cr₂O₃和Al₂O₃保护层，降低合金的氧化速度，尽管Al₂O₃氧化层的氧化速率仅为Cr₂O₃的1/10，但由于其导电性低而不适用于作为SOFC连接体材料的抗氧化合金元素。

CN1149892A中介绍了Fe-Cr-W-M，M为Y、Hf、Ce、La、Nd及Dy组成的一组元素的一种或两种以上，并加入微量的元素B，获得了具有与氧化锆膨胀系数相匹配的新型合金材料，具有优良的高温抗氧化性能，但其材料的高温导电性和力学性能还有待进一步研究。在CN1149892A研究的基础上CN1222941A提出了添加合金化元素Co提高合金的高温机械强度，添加Ti、Zr、Hf中的至少一种元素，降低合金的电阻率，并且在添加Hf的同时添加元素B，改善合金的加工性能和提高合金的抗氧化性能。但由于合金元素的种类繁多，生产过程中带来很多不确定因素，成份不易控制，材料成本比较高。CN1468970A中介绍了一种Fe-Cr(15～30wt％)基合金，添加0.1～1.0wt％的合金化元素Ni、Al、Zr，0.1～1.5wt％的合金化元素Si，获得的合金材料600～1000℃的膨胀系数在11～13×10^-6K^-1之间，与现有的电解质材料的膨胀系数相匹配，但合金的高温抗氧化性能还需进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在固体氧化物燃料电池工作环境中具有与周围材料很好的膨胀性能兼容性，并且具有良好的高温导电性能、抗氧化性能和机械性能的中温平板式固体氧化物燃料电池金属连接体用镍基膨胀合金。

根据上述目的，本发明整体的技术方案为：