[发明专利]一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池连接体及其表面改性方法，具体地说是一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体及其制造方法，属于燃料电池技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其清洁、高效、大功率、静音等优点，在分布式小型发电厂、船舶/汽车等载运工具上均具有广泛的应用前景。固体氧化物燃料电池是由阳极、阴极和电解质构成一个单电池，单电池的电压在1.0V以下。根据实际应用的功率要求，需要将单电池用连接体联接组合成电池堆，满足电压电流的需求。连接体不仅起着分别向电池阳极和电池阴极分配燃料气体和氧化剂的作用，还起着电子传导连接和传热作用，是一个重要的多功能组件。作为固体燃料电池的关键组件之一的双极连接体，占整个燃料电池堆成本的25％-45％和重量的60％-80％，直接决定着燃料电池的能量密度、体积密度和成本。传统的平板型SOFCs工作温度高，连接体多采用钙钛矿型的导电陶瓷LaCrO3等。随着阳极支撑型平板式SOFCs的中低温化(600～800℃)发展，使得金属合金类材料可以作为连接体材料使用。相对于SOFC使用的陶瓷等连接体而言，金属基材料相对韧性好，易于加工。与常用于高温条件下的铬(Cr)基、镍(Ni)基和钴(Co)基合金，铁(Fe)基合金材料由于成本低、加工性能好等优势而成为中温固体氧化物燃料电池连接体的优选材料。然而，在SOFC运行环境中，铁基合金的高温抗氧化性能较差，表面氧化会导致表面电导率急剧降低的现象出现，进而增大与电极材料的接触电阻。此外，铁基材料多含有Cr，在SOFC环境下形成高价态Cr的化合物，该化合物的挥发与沉积是造成阴极材料污染的重要原因。因而，对铁基材料的表面进行改性是提高其抗氧化性和表面导电性，以及减少和避免Cr化合物挥发的重要途径。

用于SOFCs连接体的表面改性层主要有钙钛矿氧化物层、尖晶石氧化物层、萤石型氧化物层和铅锌矿结构氧化物等。目前应用于SOFC的金属连接体表面改性方法主要有溶胶-凝胶、化学/物理气相沉积、等离子喷涂等。但是上述方法难以得到致密的表面改性层，对于阻止连接体合金的进一步氧化，减缓电阻上升和阻止Cr元素挥发的能力不足。另一方面，改性层与基体的结合力不足，易于分层剥落。专利【CN103515628A】公开了一种在金属连接体表面制备Co-Mn尖晶石改性层的方法，是通过微弧沉积技术在基体表面交替沉积Co层和Mn层形成多层膜，再预氧化形成改性尖晶石Co-Mn氧化物层。

发明内容

本发明针对以上提出的表面改性层不够致密，阻止连接体进一步氧化、减缓电阻上升和Cr元素挥发的能力不足，以及表面改性层与基体的结合力不足的问题，而研究设计一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体。本发明采用的技术手段如下：

一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体，包括基体和设置在基体表面的表面改性层，所述基体为厚度为0.3～3mm的铁素体不锈钢板，所述铁素体不锈钢中铬的重量百分比为10～30％，所述表面改性层为厚度为3～30μm的尖晶石结构合金氧化物，所述尖晶石合金氧化物的原子比例为Co_1+xM_2-xO₄，其中x为0.1～1.0，元素M为铜、锰、镍、铬中的一种或两种及以上的组合。

一种固体氧化物燃料电池不锈钢双极连接体的制造方法，包括以下步骤：

a.将铁基合金连接体基体放置在含有Co离子和M离子的电镀液中，进行基体表面金属元素的电镀处理，元素M为铜、锰、镍、铬中的一种或两种及以上的组合；

b.将步骤a中获得的连接体放置于加热炉中空气环境下进行加热氧化处理。

进一步地，所述步骤a处理温度为30～80℃，首先采用交流脉冲电流进行基体表面活化，活化过程的负向电流密度为3～6A/dm²，正向电流密度为1～4A/dm²，正向脉冲时间和负向脉冲时间分别为0.1～0.3ms和0.2～0.5ms，总活化时间为5～30min；表面活化后，对基体进行脉冲电沉积金属Co或Co-M合金，正向电流密度为1～8A/dm²，负向电流密度为1～5A/dm²，正负向脉冲时间比为5:1～1:1，总沉积时间为5～40min。

进一步地，所述电镀溶液为CoSO₄溶液或CoSO₄与金属M的硫酸盐的混合溶液。