[發明專利]一種鐵素體不銹鋼及其制造方法

無效

• 申請號: 200910055269.9
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN101962736A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: 彭建國;江來珠;王如萌;駱素珍
• 申請（專利權）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: C22C38/28
• 分類號: C22C38/28;C22C38/26;C21C5/52;C21C7/068;C21C7/10;B22D11/16;C21D8/02;C21D1/26;H01M2/20;H01M8/10;F01N7/16
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 陳文平;章承繼

技術領域

本發明涉及一種鐵素體不銹鋼，特別是一種抗氧化的具有良好高溫導電性能的固體氧化物燃料電池連接件用的鐵素體不銹鋼及其制造方法。

背景技術

近年來，固體氧化物燃料電池(SOFC)發展十分迅速，已經成為經濟可行的新型電池。固體氧化物燃料電池可用于熱電聯產電站、火車和艦船的發動機、卡車和轎車的輔助電源、管道煤氣和天然氣、住宅的電熱控制和傳輸系統以及其它分散式電源等。因此，固體氧化物燃料電池被認為是商業化潛力最大、市場阻力最小的環境友好型新能源。

固體氧化物燃料電池主要是管狀結構和平板式結構。平板式結構因結構簡單，體積小等優點而成為主要的研發焦點。平板式固體氧化物燃料電池中的固體氧化物陶瓷電解質，依據不同的工作溫度500～1000℃，選擇不同的固體氧化物電解質，如摻雜的氧化鋯或氧化鈰。

由于SOFC單電池的輸出功率較低，工作電壓一般低于1伏，為了得到高的輸出功率，需要將單電池串聯起來組成電池堆，這就需要有連接體將相鄰兩個單電池的陰極和陽極連起來。連接體在固體氧化物燃料電池系統中起到至關重要的作用，一方面，將單電池串聯起來，起導電作用，另一方面還起到分配氣流，將燃料氣和氧化氣輸送到電極參與電極反應的作用。這就要求連接材料具有：1)良好的高溫導電率，2)良好的抗高溫氧化性能，3)良好的熱穩定性和高溫強度，4)與陶瓷電解質的熱膨脹匹配性，5)良好的機加工性能。

最初SOFC設計使用一種摻雜的LaCrO₃陶瓷材料作為連接材料。LaCrO₃陶瓷在SOFC的高溫工作環境中不降解，并具有與燃料電池其它構件基本匹配的熱膨脹系數。然而，LaCrO₃陶瓷燒結性能差，需要在1600℃以上燒結成瓷，材料脆，而且特別昂貴，占電池成本的70％以上。為了降低電池成本，最好采用金屬連接體。人們曾嘗試用Ni基合金、Cr基合金和Fe基合金作SOFC的連接體。與Cr基、Fe基合金相比，Ni基合金具有較高的耐熱溫度和高溫強度，可高達1200℃。Ni-Cr系合金發生氧化后的產物NiO和Cr₂O₃都具有顯著降低氧擴散速度的作用，形成良好的抗氧化保護層。因而，Ni基合金具有良好的抗高溫氧化性。但Ni基合金的熱膨脹系數(17～20×10^-6K)比固體電解質YSZ(9～13×10^-6K)大，在電池啟動和停止時的熱沖擊將導致電解質膜的破壞。因此，目前在中低溫平板式SOFC連接體金屬材料中Ni基合金較少采用。Cr基合金也具有良好的耐高溫腐蝕、抗氧化性，熱膨脹系數與YSZ固體電解質的匹配性好，并且表面形成的Cr₂O₃氧化層具有電子導電率高的優點。Cr基合金的缺點是：Cr基合金制造工藝復雜，成本較高，同時，Cr基合金的Cr(VI)揮發問題比較嚴重，會導致電池陰極性能迅速降低，因此，在平板式SOFC連接體材料中應用較少。SOFC研發人員相繼開發出中低溫(600～800℃)SOFC，使耐高溫的鐵素體合金作為連接件成為可能。同Ni基、Cr基合金相比，Fe基合金因資源豐富，具有良好的延展性，易于加工，制造成本低等優點，而成為中溫平板式SOFC連接材料研究的焦點。Fe基合金的設計原型是304不銹鋼，但由于304等奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數16～18×10^-6K比YSZ大，不宜選用。雙相不銹鋼的熱膨脹系數13～14×10^-6K較奧氏體的小，但也比YSZ的大，也不宜選用。鐵素體不銹鋼的熱膨脹系數10～13×10^-6K與YSZ的基本相當，導熱性能是奧氏體不銹鋼的150％左右，有利于反應熱的導出，同時，一定含量的Cr等合金元素的配合，可以賦予鐵素體不銹鋼足夠的抗氧化性能，因此鐵素體不銹鋼成為SOFC連接體的首選材料，成為研究的焦點。