[发明专利]陶瓷材料

说明书

本发明涉及呈粉末的形式的玻璃‑陶瓷/银复合材料前体组合物，并且涉及由其产生的玻璃‑陶瓷/银复合材料。发现这类材料作为用于高温电化学转换装置，如固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)的互连件材料的特定用途。

技术领域

本发明大体上涉及玻璃-陶瓷/银复合材料的领域，并且具体地说涉及用于高温电化学转换装置，如固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)的互连件材料。它还涉及并入有玻璃-陶瓷/银复合互连件材料的这类装置。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是众所周知的装置，其可将燃料氧化以直接发电。固体氧化物电解电池(SOEC)与SOFC相关，但它们不是经由燃料氧化来发电，而是使用电能经由蒸汽电解来生产氢气和氧气。SOFC堆(和SOEC堆)中的各个电池串联连接，每个电池通过导电互连件(本文称为“互连件”)与相邻电池分开。互连件通常是板状组件，其在一个电池的阳极和相邻电池的阴极之间提供气密屏障，并且可在任一侧具有通道以帮助将各个气流分配到适当的电极。互连件材料在氧化和还原条件下都应为稳定的，因为它暴露在空气侧和燃料侧的气流中。

由陶瓷制成的互连件(即，“陶瓷互连件”)以及由金属制成的互连件(即，“金属互连件”)为所属领域中已知的。互连件也可以由陶瓷和金属材料的混合物构造。随着材料、设计和电池制造技术的进步，堆操作温度从900℃-1000℃降低至600-750℃之间已成为一般趋势。这允许更广泛地使用金属互连件，尽管它们的化学稳定性较差，并且与其它电池组件的热膨胀匹配较差，但由于机械强度、可制造性、电导率和成本，金属互连件优于陶瓷互连件。金属互连件主要由高铬铁素体合金制成，如22APU(德国蒂森克虏伯(ThyssenKrupp,Germany))或铬基PM合金，如CFY(奥地利攀时(Plansee,Austria))。

互连件材料中铬的存在是有益的，因为它具有出色的抗氧化气氛性，但它对堆的长期性能具有不利影响。金属互连件中的铬导致SOFC性能损失的主要机制有两种。首先，在互连件的空气侧形成氧化铬基氧化皮。尽管薄，但由于氧化物的电导率非常低，因此此皮导致互连件的电阻的显著增加。在使用温度下，皮厚度随着时间的推移而增加，因此效率会逐渐但持续下降。其次，当暴露在潮湿的氧化气氛时，铬很容易以挥发性物种的形式，如CrO₂(OH)₂从氧化皮蒸发。挥发性含铬物种容易转移到阴极，在那里沉积并由于催化活性降低而导致电极效率的严重损失(阴极中毒)。随着使用期间沉积的铬量的增加，阴极效率逐渐降低。

已经提出了不同的方法来最小化或消除与SOFC、SOEC和其它高温电化学反应器中的铬相关联的问题。

一种方法是涂覆含铬金属互连件的表面。举例来说，US 5,942,349提出在阴极侧上具有涂层的含铬互连件。涂层材料含有至少一种选自Mn、Fe、Co和Ni的氧化物，并且这与互连件的表面上的氧化铬反应以形成保护性的含铬尖晶石层。US 7,390,582公开具有以下通式的含铬金属互连件材料上的保护涂层：Co_3-x-yCu_xMn_yO₄(0x1.5，0y3并且x+y3)。US8,241,817中公开的保护涂层中包括稀土氧化物材料。US 8,366,972描述一种二相保护涂层，其含有Cu、Ni、Mn、Fe基尖晶石相和含有Mn、Cu和Ni的第二氧化物相。US 9,452,475公开在SOFC互连件的空气侧上的等离子喷涂的锰钴氧化物尖晶石保护涂层。US 9,634,335描述一种含铬和铁的互连件材料的复合钙钛矿/尖晶石涂层，由此涂层以粒度小于22微米的粉末混合物形式施用。