[发明专利]一种燃料电池金属连接体涂层

说明书

本发明属于燃料电池材料技术领域。针对固体氧化物燃料电池的合金连接体Cr的挥发问题以及质子交换膜燃料电池的金属双极板的易腐蚀问题，本发明提供一种金属连接体涂层，所述涂层为Ti₃SiC₂陶瓷或者掺杂改性固溶体材料(Ti,M)₃SiC₂，其中M选自Nb、Ta、W和V材料中的一种。该涂层为Ti₃SiC₂陶瓷或者其掺杂改性固溶体材料，具有均匀、致密、附着力高，能够长期有效地抑制金属连接体中所含的Cr元素向外迁移，解决阴极中毒的问题，能降低Cr₂O₃膜的生长速率，降低连接体的工作电阻，提高不锈钢连接体的综合工作性能；还可以用于质子交换膜燃料电池的金属双极板，有效提高质子交换膜燃料电池双极板的耐腐蚀能力和导电性能。

技术领域

本发明属于燃料电池材料技术领域，具体涉及一种燃料电池的金属连接体涂层。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)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，但其大规模商业化应用仍受各部件材料制约。其中连接体材料就是SOFC的发展瓶颈之一。连接体(也叫连接板或双极板)是平板式SOFC电堆组装的关键部件，它一方面电连接相邻的单电池；另一方面隔离阳极的燃气与阴极的空气，其性能直接影响SOFC电堆的输出功率和使用寿命。

在90年代后，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℃，这使得合金能够作为连接体材料进行使用，这些合金主要为铬基合金、镍基合金和铁基合金，目前，以SUS 430和Crofer 22 APU为代表的铁基合金，由于价格低、抗氧化性与导电性较好、热膨胀系数与其他部件匹配性好等优点成为连接体材料的主要选择。合金连接体材料有其自身的优点，但也有致命缺点，其中最致命的问题是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。

针对合金连接体Cr的挥发问题，在合金连接体表面施加防护涂层是一种重要的手段。目前在合金连接体表面施加的防护涂层主要包括：反应氧化物涂层(如Y,La,Ce及其氧化物涂层)，导电钙钛矿涂层和导电尖晶石结构涂层。其中反应氧化物涂层，是在合金连接体上沉积一薄层Y,La,Ce等反应物质从而有效地降低膜层厚度，增加氧化膜层的结合力。但是由于使用了大量的稀土元素，导致涂层的价格昂贵，不利于降低连接体的成本。钙钛矿涂层受制备方法限制，膜层难以达到100％致密，氧可以通过膜层扩散而使基体的氧化物层厚度持续增加；而且膜层内含有少量的离子导电性，不能完全有效地抑制Cr的扩散。因此反应氧化物涂层和钙钛矿涂层均没有得到商业化应用。导电尖晶石结构涂层，分子式为AB₂O₄，其中A和B位都为过渡元素，具有很好的阻挡Cr元素扩散的能力，是目前的研究热点。但合金基体与涂层体系易发生互扩散，结构稳定性需要改善，因此会随着工作时间的延长，氧化层成分也会相应改变，导致连接板电阻增加，保护膜的结合力受到影响。