[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钨硅碳

说明书

本发明属于能源工程与技术领域，具体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钨硅碳。其化学式为(Ti_1‑xW_x)₃SiC₂(x＝0.005‑0.2)。该陶瓷材料抗氧化性能优异，优于现在商用合金Crofer22APU和Ebrite；同时该材料氧化后导电性能好；热膨胀系数为(9.7±0.5)×10^‑6K^‑1，与SOFCs电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)热膨胀系数(10.5×10^‑6K^‑1)相近；抗蠕变性能高；热稳定性好；易加工；致密度高，不会发生渗漏等问题。与合金连接体材料相比，该陶瓷材料最大的特点是：1.热膨胀系数与YSZ接近；2.在SOFCs工作环境中不会产生挥发性污染物，可以避免阴极毒化和电堆老化加速的问题。因而，该类陶瓷连接体材料可以解决合金连接体在使用时的挥发问题，在SOFCs上拥有巨大的实用化前景。

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钨硅碳。

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。虽然世界范围内已有一些示范运行的电池堆，但其大规模商业化仍受各部件材料制约。其中连接体材料就是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。对于高温固体氧化物燃料电池，该材料可以满足要求。在90年代之后，随着电解质材料的发展，固体氧化物燃料电池的使用温度降至600-800℃。这样铬酸镧体系不能满足连接体材料性能要求，如导电性能差，导热性能不好，易形成氧空位等。当SOFC使用温度在600-800℃，合金能够作为连接体材料，这些合金主要为铬基合金、镍基合金和铁基合金，合金连接体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基合金和Cr基合金的热膨胀系数为11.5×10^-6K^-1-20×10^-6K^-1，Ni基合金的热膨胀系数为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