[发明专利]包含复合氧化物成形涂层的燃料电池元件

说明书

技术领域

本发明公开内容涉及一种特别用于高温及腐蚀环境中的燃料电池 元件。该燃料电池元件包括金属基底(如不锈钢)以及涂层，该涂层 又包含至少一层金属层和一层反应层。通过对不同层进行沉积，其后 氧化涂层从而获得包含至少一种复合金属氧化物(如钙钛矿和/或尖晶 石)的导电表面层，从而制得所述燃料电池元件。

背景技术

用在高温和腐蚀环境中的燃料电池元件、特别是用于固体氧化物 燃料电池(SOFC)的一个实例是用于燃料电池的互连件。用于燃料电 池的互连件材料应当既作为燃料侧和氧气/空气侧之间的隔板，也作为 燃料电池的集电器。对于作为良好隔板的互连件材料，该材料必须致 密以避免气体通过该材料扩散，并且为了成为良好的集电器，互连件 材料必须导电，且不应在其表面形成绝缘氧化皮。

互连件材料可由例如石墨、陶瓷或金属(通常是不锈钢)制成。 例如，铁素体铬钢用作SOFC中的互连件材料，其实例包括以下两篇 文章：P.B.Friehling and S.Linderoth在由J.Huijsmans出版的在瑞士卢 塞恩举行的第五次欧洲固体氧化燃料电池论坛的会议录(2002)(the Proceedings Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum，Lucerne， Switzerland(2002))第855页发表的“铁素体铬钢作为SOFC组的互 连件材料的评价”(″Evaluation of Ferrite Stainless Steels as Interconnects in SOFC Stacks″)；T.Uehara，T.Ohno&A.Toji在由J. Huijsmans出版的在瑞士卢塞恩举行的第五次欧洲固体氧化燃料电池论 坛的会议录(2002)(the Proceedings Fifth European Solid Oxide Fuel Cell Forum，Lucerne，Switzerland(2002))第281页发表的“铁素体Fe-Cr 合金作为SOFC隔板的开发”(″Development of Ferritic Fe-Cr Alloy for SOFC separator″)。

在SOFC应用中，互连件材料的热膨胀绝不能明显不同于用作燃 料电池组的阳极、电解液和阴极的电活性陶瓷材料的热膨胀。铁素体 铬钢非常适合于这种应用，因为铁素体钢的热膨胀系数(TEC)接近于 用在燃料电池中的电活性陶瓷材料的TEC。

燃料电池中的互连件材料在操作期间将暴露在氧化作用中。尤其 对于SOFC的情况，这种氧化作用可能对燃料电池效率和燃料电池的 寿命有害。例如，在互连件材料表面形成的氧化皮由于热循环可能变 厚，并甚至可能剥落或破裂。因而，氧化皮应具有与互连件材料良好 的粘接性。进而，形成的氧化皮还应具有良好的导电性并且不会变得 太厚，因为较厚的氧化皮将导致内阻的增大。形成的氧化皮还应对 SOFC中用作燃料的气体化学稳定，即，不应形成挥发性含金属物质(如 氢氧化铬)。挥发性化合物(如氢氧化铬)将污染SOFC组中的电活 性陶瓷材料，它又将导致燃料电池效率降低。另外，在互连件材料由 不锈钢制成这种情况下，存在的风险是在燃料电池寿命期间，由于铬 由钢中心扩散到其表面形成的氧化铬皮造成的钢中铬的损耗。

使用商业铁素体铬钢作为SOFC中互连件材料的一个不利之处在 于，它们通常与少量铝和/或硅形成合金，这将在SOFC的工作温度下 分别形成Al₂O₃和SiO₂。这些氧化物都是绝缘的，会提高电池的电阻， 又会导致燃料电池效率降低。

一种解决由于使用铁素体钢作为SOFC中互连件材料而引起的问 题的方法是，使用含有非常低含量的Si和Al的铁素体钢以避免形成绝 缘氧化物层。这些钢通常也与锰和稀土金属如La形成合金。例如这已 在专利申请US 2003/0059335中做出，其中钢与(以重量计) 0.2-1.0％Mn、0.01-0.4％La、少于0.2％Al和少于0.2％Si形成合金。另 一实例是专利申请EP 1 298 228 A2中钢与(以重量计)少于1.0％Mn、 少于1.0％Si、少于1.0％Al以及少于0.5％Y和/或少于0.2％稀土金属 (REM)形成合金。