[发明专利]一种用于固体氧化物燃料电池连接体的陶瓷材料钛钽硅碳

说明书

技术领域

本发明属于能源工程与技术领域，具体涉及一种用于固体氧化物燃料电池(SOFCs)连接体的新型陶瓷材料钛钽硅碳。

背景技术

固体氧化物燃料电池由于具有可使用含碳燃料、发电效率高和发电成本低等优点，在分布式电站和动力电源等领域均有广阔的应用前景。但其连接体材料是SOFCs的发展瓶颈之一。在90年代之前SOFCs的连接体材料为铬酸镧或者掺杂的铬酸镧，但是这种连接体材料具有诸多弊端：要求电池工作在1000℃以上，在空气中的烧结性能差，导热性能不好，成形困难，易形成氧空位，低温导电性能差等。在90年代之后，随着SOFCs的工作温度下降至600-800℃，合金能够作为连接体材料，主要为铬基合金、镍基合金与铁基合金，这些材料有其自身的优点。但也有致命缺点：

1.铬的化合物挥发问题。为了使连接体材料在工作环境下具有一定的抗氧化性能和导电性能，合金连接体材料要含有一定的铬，以生成氧化铬氧化膜。而氧化铬在工作环境下会形成易挥发的铬的化合物，这些化合物会毒化阴极，使电池的输出性能下降，最后加速电堆的老化。

2.热膨胀系数不匹配问题。电解质YSZ的热膨胀系数为10.5×10^-6K^-1，而Cr₂O₃形成合金中热膨胀系数偏高，Fe基合金的热膨胀系数为11.5×10^-6K^-1-20×10^-6K^-1，Ni基合金热膨胀系数为14×10^-6K^-1-19×10^-6K^-1。热膨胀系数不匹配会导致电堆在升、降温过程中产生较大的热应力，引起电池部件碎裂。

3.抗蠕变性能不足。合金连接体蠕变实验表明，合金连接体材料的抗蠕变性能不足。如Crofer22APU在800℃10MPa压力下，240小时内发生蠕变失效；在800℃8MPa压力下，1200小时内发生蠕变失效；在650℃21.7MPa压力下，2800小时内发生蠕变失效。

因此，发展新型的性能优异的固体氧化物燃料电池连接体材料具有十分重要的实用化意义。

发明内容

针对现有技术中存在的金属连接体在SOFCs工作环境中的挥发问题，本发明的目的在于提供一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料-(Ti_1-xTa_x)₃SiC₂体系，在SOFCs上具有大的实用化前景，可以推动固体氧化物燃料电池的产业化进程。该新型陶瓷材料不是四种原粉末的简单烧结，而是通过热压后，形成一种相成分，是一种单相。4种元素粉末中任何一种单独元素都没有该合成的单相材料的性能。之前研究过Ti与C元素形成TiC，这种材料的抗氧化性能差，在工作中会发生严重氧化，一段时间后基体全部氧化成氧化物，电阻过大，达不到导电性能要求；用Ti，Si与C形成Ti₃SiC₂材料，该材料氧化后，其表面形成的氧化膜较厚，导电性能较差，达不到导电性能要求；用Ta，Si与C设计合成制备Ta₃SiC₂材料，但是不能合成该种材料，原因是：形成TiC、SiC等混合杂相，无法形成单相成分。

本发明内容，把该种单相材料钛钽硅碳作为固体氧化物燃料电池连接体也属首例。

本发明采取的技术方案是：

一种用于固体氧化物燃料电池(SOFCs)连接体的新型陶瓷材料钛钽硅碳，所述连接体材料为钛钽硅碳陶瓷，此陶瓷材料是钛硅碳进行钽掺杂改性的陶瓷相材料，其中：钛钽硅碳化学式为(Ti_1-xTa_x)₃SiC₂。

进一步的，所述化学式(Ti_1-xTa_x)₃SiC₂中，x＝0.005-0.5。

进一步的，所述化学式(Ti_1-xTa_x)₃SiC₂中，x＝0.05。

进一步的，所述钛钽硅碳材料的致密度高于98％。