[发明专利]一种铁素体不锈钢及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁素体不锈钢，特别是一种抗氧化的具有良好高温导电性能的固体氧化物燃料电池连接件用的铁素体不锈钢及其制造方法。

背景技术

近年来，固体氧化物燃料电池(SOFC)发展十分迅速，已经成为经济可行的新型电池。固体氧化物燃料电池可用于热电联产电站、火车和舰船的发动机、卡车和轿车的辅助电源、管道煤气和天然气、住宅的电热控制和传输系统以及其它分散式电源等。因此，固体氧化物燃料电池被认为是商业化潜力最大、市场阻力最小的环境友好型新能源。

固体氧化物燃料电池主要是管状结构和平板式结构。平板式结构因结构简单，体积小等优点而成为主要的研发焦点。平板式固体氧化物燃料电池中的固体氧化物陶瓷电解质，依据不同的工作温度500～1000℃，选择不同的固体氧化物电解质，如掺杂的氧化锆或氧化铈。

由于SOFC单电池的输出功率较低，工作电压一般低于1伏，为了得到高的输出功率，需要将单电池串联起来组成电池堆，这就需要有连接体将相邻两个单电池的阴极和阳极连起来。连接体在固体氧化物燃料电池系统中起到至关重要的作用，一方面，将单电池串联起来，起导电作用，另一方面还起到分配气流，将燃料气和氧化气输送到电极参与电极反应的作用。这就要求连接材料具有：1)良好的高温导电率，2)良好的抗高温氧化性能，3)良好的热稳定性和高温强度，4)与陶瓷电解质的热膨胀匹配性，5)良好的机加工性能。

最初SOFC设计使用一种掺杂的LaCrO₃陶瓷材料作为连接材料。LaCrO₃陶瓷在SOFC的高温工作环境中不降解，并具有与燃料电池其它构件基本匹配的热膨胀系数。然而，LaCrO₃陶瓷烧结性能差，需要在1600℃以上烧结成瓷，材料脆，而且特别昂贵，占电池成本的70％以上。为了降低电池成本，最好采用金属连接体。人们曾尝试用Ni基合金、Cr基合金和Fe基合金作SOFC的连接体。与Cr基、Fe基合金相比，Ni基合金具有较高的耐热温度和高温强度，可高达1200℃。Ni-Cr系合金发生氧化后的产物NiO和Cr₂O₃都具有显著降低氧扩散速度的作用，形成良好的抗氧化保护层。因而，Ni基合金具有良好的抗高温氧化性。但Ni基合金的热膨胀系数(17～20×10^-6K)比固体电解质YSZ(9～13×10^-6K)大，在电池启动和停止时的热冲击将导致电解质膜的破坏。因此，目前在中低温平板式SOFC连接体金属材料中Ni基合金较少采用。Cr基合金也具有良好的耐高温腐蚀、抗氧化性，热膨胀系数与YSZ固体电解质的匹配性好，并且表面形成的Cr₂O₃氧化层具有电子导电率高的优点。Cr基合金的缺点是：Cr基合金制造工艺复杂，成本较高，同时，Cr基合金的Cr(VI)挥发问题比较严重，会导致电池阴极性能迅速降低，因此，在平板式SOFC连接体材料中应用较少。SOFC研发人员相继开发出中低温(600～800℃)SOFC，使耐高温的铁素体合金作为连接件成为可能。同Ni基、Cr基合金相比，Fe基合金因资源丰富，具有良好的延展性，易于加工，制造成本低等优点，而成为中温平板式SOFC连接材料研究的焦点。Fe基合金的设计原型是304不锈钢，但由于304等奥氏体不锈钢的热膨胀系数16～18×10^-6K比YSZ大，不宜选用。双相不锈钢的热膨胀系数13～14×10^-6K较奥氏体的小，但也比YSZ的大，也不宜选用。铁素体不锈钢的热膨胀系数10～13×10^-6K与YSZ的基本相当，导热性能是奥氏体不锈钢的150％左右，有利于反应热的导出，同时，一定含量的Cr等合金元素的配合，可以赋予铁素体不锈钢足够的抗氧化性能，因此铁素体不锈钢成为SOFC连接体的首选材料，成为研究的焦点。