[发明专利]一类用于燃料电池中的固体氧化物燃料电池连接体材料

说明书

技术领域

本发明属于能源工程与技术领域，具体是用于燃料电池中的固体氧化物燃料电池的一类新型可加工陶瓷连接体材料---钛硅碳以及改性的钛硅碳材料。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为新型高效清洁的分布式发电和汽车辅助动力技术等已受到国内外的高度注视，但其连接体材料是SOFCs的发展瓶颈之一。在90年代之前SOFCs的连接体材料为铬酸镧或者掺杂的铬酸镧，但是这种连接体材料的使用有很多弊端：要求电池工作在1000℃以上，它们在空气中的烧结性能差，导热性能不好，成形困难，易形成氧空位等。所以，在90年代之后人们把目光投在合金材料上，主要为铬基合金、镍基合金与铁基合金，这些材料有其自身的优点。但也有致命缺点：

1.铬化合物的挥发问题，即为了使材料在工作环境下有一定的抗氧化性，每种材料的铬含量一定要不小于16wt％，而生成的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，最后导致电池在使用寿命期间失效。

2这些材料的热膨胀系数与电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的不匹配，会导致在升降温过程中产生热应力，降低电池的使用寿命。虽然，现在人们也尝试在合金连接体上涂覆或者镀涂层，但效果依然不佳。因此，发展新型的固体氧化物燃料电池的连接体材料具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于燃料电池中的固体氧化物燃料电池的连接体材料，即三元层状可加工陶瓷-钛硅碳以及改性的钛硅碳，可以解决金属连接体在SOFCs上使用时的挥发问题，在SOFCs上具有大的实用化前景。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种可以作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)连接体材料的三元层状陶瓷材料---钛硅碳以及改性的钛硅碳。其中：

钛硅碳指三元层状陶瓷Ti₃SiC₂；改性的钛硅碳指固溶改性的钛硅碳，主要是在Ti₃SiC₂的Si和/或Ti位置进行固溶掺杂，包括在Si位置上固溶Al，或者同时在Ti位置上固溶Nb和Si位置上固溶Al。

所述在Si位置上固溶Al，改性的钛硅碳为Ti₃(Si_1-xAl_x)C₂，x＝0.05-0.1。

所述同时在Ti和Si位置的固溶，改性的钛硅碳为(Ti_1-xM_x)₃(Si_0.95Al_0.05)C₂，M指Nb，x＝0-0.1。

该类材料具有与合金连接体材料相比的抗氧化性和工作环境下导电能力，且易加工，热稳定好，抗蠕变性能高；其热膨胀系数为9.1±0.5×10^-6k^-1，与电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的热膨胀系数10.5×10^-6k^-1相近。最为突出的特点是在工作环境下不会产生挥发性产物。

所述的固体氧化物燃料电池连接体材料，其制备过程如下：

采用元素粉为合成材料，各材料按照化学计量比配制，配好的原料粉放入混料罐中，球磨均匀，取出过筛备用；在石墨模具中冷压成型后，再放入热压炉中反应热压合成。

本发明中，热压合成所采用的工艺是：在20-60MPa压力下，在1400-1600℃保温10-60分钟，反应是在流动的Ar气保护下进行的。

本发明的特点是：

1.本发明钛硅碳以及改性的钛硅碳材料的热膨胀系数与YSZ的相近，从而可以减少连接体材料使用过程中热应力的产生。Ti₃(Si_0.95Al_0.05)C₂的热膨胀系数是9.1×10^-6k^-1；(Ti_0.98Nb_0.02)₃(Si_0.95Al_0.05)C₂的9.1±0.5×10^-6k^-1；YSZ的热膨胀系数为10.5×10^-6k^-1，而合金连接体材料的热膨胀系数一般为14-20×10^-6k^-1。