[发明专利]平板式中温固体氧化物燃料电池低Cr连接体合金

说明书

技术领域：

本领域属于燃料电池领域，特别是固体氧化物燃料电池金属连接体合金。

背景技术：

目前，世界范围内能源消费中仍然以化石类燃料为主，化石类燃料的利用一般是通过燃烧过程来实现的，将燃料的化学能转化为热能，或直接利用，或继续转化为机械能和电能。能量转化过程中能量损失高，利用效率低，造成能源浪费，同时也向自然界排放了大量的废水、废气、废渣，导致了酸雨、温室效应等全球性的环境污染问题。为了解决当前世界的能源短缺和环境污染，世界范围内都在大力发展和推广燃料电池技术。燃料电池是通过电化学反应过程将化石燃料的化学能直接转化为电能。由于此能量转化过程不受卡诺循环的限制，能量利用率得以大大提高，燃料电池系统释放出的污染物比直接燃烧要降低几个数量级。与其它燃料电池相比，固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)有如下优点：(1)所用材料均为固体，无电解液泄漏问题，运行安全可靠；(2)可使用多种燃料，如氢气、煤气、天然气或沼气；(3)高温(600-1000℃)下工作加快了反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，同时余热回收利用率高，适于热电联供，能量转化效率高，电池的综合能效高达80％左右。美国、欧洲、日本、澳大利亚等正积极研究开发SOFC技术。它是一种高效、节能、清洁、安静和可靠的发电装置，被誉为21世纪的绿色能源。SOFC可以为民用、商业、军事和交通运输等提供高质量的电源，对满足电力需求、保护环境和国家安全都具有重大的意义。

虽然世界各国，尤其是发达国家，对SOFC的研究和开发投入了相当的人力、物力和财力，但是，许多关键技术，如电池(堆)材料等仍然制约着SOFC的商业化进程。单个SOFC的工作电压只有1V左右，功率有限。为了提高电池的输出功率，需要将若干个单电池以各种方式(如：串联、并联、混联)组成电池堆。目前SOFC电池堆的结构主要有管状和平板型两种，其中平板型以其输出功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。在平板型SOFC中，连接单电池的连接体材料一方面把各个单电池连接起来，提高SOFC的输出功率，另一方面还把阴极侧的氧化气和阳极侧的燃料气隔离开，由于连接体所处的苛刻工作环境，它们必须满足下列要求：(1)热膨胀性能与电池堆的其他部件相匹配；(2)良好的稳定性(在氧化和还原气氛中稳定，不与相邻的组元反应或互扩散)；(3)良好的电子导电性；(4)良好的热传导性；(5)高密度(不透气)；(6)高蠕变强度。可见，连接体的性能将直接影响电池堆的稳定性和输出功率，在电池堆中起着至关重要的作用。

对于高温SOFC(工作温度在1000℃左右)，具有钙钛矿型结构的铬酸镧基(如：La_1-x(Sr，Ca)_xCrO₃)陶瓷适合用于连接体材料，因为它们在氧化和还原气氛中表现出良好的稳定性和高的电导率。但是它们的价格昂贵，脆性高而不易加工。最近的研究发现，通过降低电解质膜的厚度或采用新的具有高的氧离子导电率的电解质膜，可使SOFC的操作温度降至600-800℃，这使金属合金作为连接体材料成为可能。与陶瓷材料相比，金属连接体具有高的电子电导率和热导率，优良的加工性能，成本低等诸多优点。在SOFC的操作温度范围内，表面形成Al₂O₃、SiO₂和Cr₂O₃氧化物层的合金具有高温抗氧化性。虽然形成Al₂O₃和SiO₂氧化物层的合金比形成Cr₂O₃氧化物层的合金具有更好的高温抗氧化性，但是Al₂O₃和SiO₂的高温电导率远远低于Cr₂O₃的高温电导率。因此，目前的研究主要集中在表面形成Cr₂O₃氧化物层的合金材料，主要包括三种合金：Cr基合金，Ni基合金和Fe基合金。