[发明专利]复合陶瓷连接材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种以碳化物为基料的陶瓷，尤其涉及一种以掺杂CeO₂基电解质材料的碳化物为基料的陶瓷。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将碳氢化合物的化学能通过电化学反应转化成电能的最有效的装置，近年来其在清洁、高效分布式发电领域中越来越受到人们的重视，被认为是21世纪的绿色能源。针对高温SOFC的技术困难和市场化对降低成本的要求，追求中温化成为SOFC的研发趋势，这对构成电池的关键材料提出了更高要求。固体氧化物燃料单电池是由致密的氧离子固体电解质和多孔的陶瓷阴极和阳极构成，为了得到高的输出功率，需要用连接材料将一系列单电池连接起来，组成电池堆。

连接材料是用来连接相邻两只单体电池的阴阳极的关键材料，其在SOFC中有两种作用：一是实现单电池之间的电连接通道；二是在电池堆内隔离燃料气和空气，防止二者的渗透接触。因此，连接材料必须是致密的并具有高的电导率，在氧化和还原气氛中都具有较好的稳定性，其热膨胀系数与电池的其它组件接近，以免制作和操作过程中出现过大的热应力。

传统的高温SOFC电池堆连接材料的研究中，最多的连接材料是具有钙钛矿型(ABO₃)的LaCrO₃基陶瓷材料，熔点为2490℃，在高温下氧化和还原气氛中都具有高的电子导电率和化学稳定性，以及较好的相容性(相、热膨胀、微结构)，是少数能够满足SOFC使用要求的材料之一，因而可在高温SOFC中用作连接体材料。但LaCrO₃基陶瓷材料在中温条件下的电导率很低，严重降低了电池堆的功率。而且，由于LaCrO₃基陶瓷材料致密化烧结温度很高，不仅制备的能耗很高，也易发生氧化铬的挥发，造成与之共烧的阴极或阳极污染，使电池性能下降。而LaCrO₃中的La位元素很容易被二价碱土金属等取代，Cr位则可由Fe、Co、Ni、Ti等过渡金属元素部分取代，通过掺杂使晶体中形成氧空位或使Cr原子发生变价，变化后的这类材料虽然在化学上具有良好的稳定性，但它们电导率普遍不高，其中以B位掺杂Co的材料电导率最高，在空气中700℃时达到85S/cm，但其热膨胀系数(TEC)在14-20×10^-6K^-1之间，与固体电解质GDC、SDC、YSZ(10-11×10^-6K^-1)等相差较大，已不适于做连接材料。刘杏芹等“固体氧化物燃料电池用铬酸镧基复合连接材料及制备方法”中(公开号CN 101165951A)，在LaCrO₃基陶瓷中添加少量CeO₂基电解质材料制备成铬酸镧基复合连接材料，大大的提高了铬酸镧基陶瓷连接材料在空气中的电导率，其在空气气氛下的电导率在900℃时高达687S/cm，但其在H₂气氛下的电导率900℃时最大只在7S/cm左右。这主要是在H₂和其他燃料气中，这些材料都会发生失氧反应而形成氧空位，消耗材料中作为主要导电载流子的电子空穴，降低了其电导率。另外，在电池堆的加工过程中，当连接材料LaCrO₃与相邻单电池的阴阳极共烧时，与阴极和阳极易发生界面反应，生成LaNiO₃、NiCrO₄与La₂Zr₂O₇等中间相，导致电池性能下降，使其应用受到很大限制。

综上所述，如何探索高性能，特别是在还原气氛中具有高电导率、高稳定性的陶瓷连接材料，并保证其热膨胀系数与其相连材料(阳极、阴极、电解质)相近，以及与其他组件具有很好化学相容性，是摆在本领域科技人员面前的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在氧化气氛和还原气氛中高电导率、高稳定性，热膨胀系数与其组件相近，同时与其他组件具有良好化学相容性的复合陶瓷连接材料。

本发明所提供的复合陶瓷连接材料，由CeO₂基电解质材料和PrCrO₃基材料制成。

本发明的复合陶瓷连接材料，其中，所述CeO₂基电解质材料的质量百分含量为1％-10％。