[发明专利]IT-SOFC电池堆合金连接体及电池堆的连接方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，提供了一种中低温平板式固体氧化物燃料电池堆合金连接体设计方法。 

背景技术

连接体在中低温平板式固体氧化物燃料电池堆中连接了各个单电池，作用是导出电池产生的电流，集中到固体氧化物燃料电池系统为用户供电。连接体的设计包括连接体成分设计，加工工艺与形状设计，以及连接体接电方式设计三个方面。 

由于平板式固体氧化物燃料电池堆操作温度向中低温发展，相对原有陶瓷连接体的经济性和易加工性，以及可期望达到的抗腐蚀性能，使得合金连接体在固体氧化物燃料电池堆中的使用成为可能。但许多的研究中都提及了合金连接体设计的复杂与困难。 

固体氧化物燃料电池堆研究中的重大课题之一是其长期稳定性，减缓合金连接体的失效在确保电池稳定性中是一个关键性问题。通常的研究中通过设计具备所需性能的合金以及在合金连接体表面涂覆陶瓷保护层来减缓合金连接体失效。 

Ni基合金、Cr基合金和Fe基合金在中低温平板式固体氧化物燃料电池堆中用作连接体材料都有过广泛的研究。Cr作为这三类合金的主要元素，作用是在合金氧化初期形成致密的Cr₂O₃保护层以阻碍氧和金属的直接接触和继续渗入，从而降低合金氧化速率。 

但是开发出的相关数十种合金连接体在经济耐用性上还不够完善。原因是传统中低温平板式固体氧化物燃料电池堆对合金连接体的复杂要求难以满足： 

一. 传统平板式固体氧化物燃料电池堆的设计，使得合金连接体一侧与氧化性气氛接触，而另一侧与还原性气氛接触，腐蚀环境十分复杂，导致连接体合金设计的困难：

（1）合金连接体的阳极侧气氛会使得阴极侧腐蚀情况恶化；

传统式平板式电堆一般采用单电池串联放置，相邻单电池之间以一块合金连接体导通电流，并分隔形出两个不同的电极室。靠近相邻一块单电池阴极的一侧为阴极室，工作气氛为空气、氧气，可能会含有少量水蒸气；靠近另一块单电池阳极的一侧为阳极室，工作气氛为氢气、一氧化碳及其它碳基燃料气体，可能含有少量的水蒸气、二氧化碳或者氧气。连接体一侧的腐蚀状况极有可能影响另一侧的腐蚀状况，这也一直是连接体研究中突破的难点之一。

这种影响中一个突出的问题是氢脆。氢脆是氢气损害金属的一种重要途径。由于氢原子很小，氢很容易渗入金属中。 

由阳极侧渗入的氢会经过合金基体传输到阴极侧，在晶界或夹杂物等场所析出，成核长大，导致金属及氧化膜的结构发生变化，从而加剧合金连接体阴极侧的氧化。 

研究中还发现氢使得铁原子的扩散性能提高，并且当质子溶入连接体阴极侧的Cr₂O₃保护层后，会提高铁在保护层中的溶解度；当从阳极侧扩散到阴极侧的质子促使铁原子更容易移动到连接体表面，更易生成含铁氧化物，也更易溶入Cr₂O₃中形成含铁氧化物，从而更快破坏阴极侧已形成的致密保护层，造成合金连接体更易腐蚀[1]。 

因此，合金连接体不仅两侧所处腐蚀环境不一，而且阳极侧气氛中氢的影响使得阴极侧腐蚀环境更加恶劣。为了应对合金连接体所处的复杂的环境，设计的合金连接体具备的性能需要更高。 

在合金连接体基体表面通过各种工艺涂覆陶瓷保护层可以降低合金连接体失效速率，但是并不能完全避免合金连接体的腐蚀，不能改变合金连接体所处的复杂腐蚀环境，也不能从本质上改变合金连接体腐蚀途径。 

中国专利01112688.4给出一种固体氧化物燃料电池堆用复合连接板及制造方法[2]。该发明采用三明治结构，使得阳极与阴极侧分别采用陶瓷连接体与合金连接体，从而使得连接体抗腐蚀性与相应电极气氛腐蚀性相匹配。但是也正因为采用这一结构，使得连接体制造工艺复杂化，提高了连接体制造成本。 

（2）合金连接体的作用之一是隔离阳极室的还原性气氛和阴极室的氧化性气氛，其两侧流场的气槽只能是半开口的流槽，机械加工难度大，成本较高。 

除合金原材料设计困难外，合金连接体的机械加工问题也是平板电池堆降低成本，实用化的一个重要限制因素。文献中提及合金连接体成本占固体氧化物燃料电池成本的很大一部分。因此，合金连接体加工成本控制是固体氧化物燃料电池制造成本控制的重要组成部分。