[發明專利]一種中溫固體氧化物燃料電池連接體材料的制備方法

有效

• 申請號: 200910116722.2
• 申請日: 2009-05-07
• 公開（公告）號: CN101546819A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 程繼貴;齊海濤;朱金傳;楊毳;何海根
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01M2/24
• 分類號: H01M2/24;H01M8/02;H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 吳啟運

一、技術領域

本發明涉及一種材料的制備方法，特別涉及燃料電池用材料的制備方法，具體地說是一種中溫固體氧化物燃料電池連接體材料的制備方法。

二、背景技術

當今能源需求緊迫，電力的使用量遠大于過去，能源短缺及環境污染、地球變暖等都是人類正面臨的挑戰與考驗。固體氧化物燃料電池(SOFC)作為新型發電系統而引人注目。SOFC是一種將化石燃料中的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的連續發電裝置，具有結構簡單、效率高、零污染、無噪音等優點。SOFC主要有管式和平板式兩種結構類型。管式SOFC具有高機械強度、高抗熱沖擊性能、電池密封相對容易、可高模塊化集成等優點，但也存在輸出功率密度低、原料利用率低、制造成本相對較高等不足。與管式SOFC相比，平板式SOFC具有更高的功率密度，原件制造和裝配簡單，造價低廉，性價比優于管式SOFC，因此成為當前研究開發的SOFC的主要構型之一。

SOFC單電池的核心是陰極(正極)-電解質-陽極(負極)組成的PEN結構。但SOFC單電池的功率輸出有限，要使SOFC發電技術得到實際應用，需要將多個SOFC單電池組裝成電池堆以增大功率輸出，而實現單電池的連接需通過連接體材料才能實現，所以連接體材料是SOFC的關鍵組件之一。SOFC的連接體主要功用有二：一是把各個單電池連接起來，提高輸出電壓和電流，獲得較高的輸出功率；二是將陽極側的燃料氣和陰極側的氧化氣隔離開，所以連接體又稱為雙極板或分離器。根據工作環境的需要，SOFC連接體需具有與電極材料相匹配的熱膨脹系數，耐高溫氧化和還原，具有良好的電導性和熱導性，結構致密，同時在工作環境下能與其他SOFC組件化學相容。上述一系列要求使SOFC連接體材料的選擇受到限制。傳統的SOFC需在1000℃左右的高溫下運行，其連接體材料只能采用氧化物陶瓷材料，主要為具有鈣鈦礦結構的鉻酸鑭及摻雜的鉻酸鑭材料，如Sr摻雜的(La，Sr)CrO₃。這類材料在氧化氣氛和還原氣氛中都表現出很高的電導率和優良的抗氧化性，但也存在明顯的缺點，如難以燒結致密化、硬度脆性高、對溫度變化帶來的熱沖擊忍耐性不夠、價格昂貴等。隨著材料、制造工藝和設計上的進展使SOFC的運行溫度從1000℃高溫段降低到600-800℃的中溫段，從而使金屬連接體取代以LaCrO₃等為代表的陶瓷連接體成為可能。目前研究的金屬連接體材料集中于Cr基合金、Ni基合金和鐵素體不銹鋼等。Cr基合金連接體加工困難，且易引起陰極Cr中毒；Ni基合金連接體熱膨脹系數較高，易導致連接體/電極因應力而產生界面裂縫。與二者相比，鐵素體不銹鋼具有更強的化學穩定性、熱膨脹系數與YSZ相近、材料制備費用低、氣密性良好、易于加工，因此也成為當前SOFC連接材料的研究熱點之一。但陰極側不銹鋼合金在燃料電池工作溫度下會嚴重氧化，最終將導致SOFC性能退化并影響電池運行穩定性和壽命。為提高不銹鋼連接體的抗氧化能力，同時也為防止Cr揮發引起陰極中毒，需要在其表面涂覆涂層材料，因此，一些特殊的導電涂層被應用，如Y₂O₃及Y/Co氧化物涂層、高電子電導率的(La，Sr)CoO₃及(La，Sr)(Co，Mn)O₃涂層、Mn-Co尖晶石涂層等。

對用作SOFC連接材料的不銹鋼表面涂層材料及涂層工藝已開展了較多的研究。研究的涂層的方法有物理氣相沉淀(PVD)、濺射、電泳沉積(EPD)、大氣等離子噴涂(APS)、溶膠-凝膠、絲網印刷等。K.N.Sun等在固體薄膜(Thin?Solid?Films，516(2008)：1857-1863)上介紹了一種在不銹鋼板表面通過大氣等離子噴涂(APS)方法制備LSF涂層用作SOFC連接材料的試驗研究，這種涂層可以降低不銹鋼的氧化程度、降低連接體接觸電阻、有效控制合金中Cr揮發，但采用APS技術制備的涂層很不平整，可能導致連接體與電極結合不緊密。蒲健等在《LaCoO₃涂層在SOFC金屬連接體中的應用》(電池，2006，36(5)：380-382)中報道到了采用溶膠-凝膠方法在不銹鋼表面涂覆LaCoO₃涂層，雖然涂層可以降低不銹鋼的氧化速率，但這種涂層電導率較低，且難以達到高致密性。因此，目前在SOFC不銹鋼連接體研究方面雖然進行了大量研究工作，但一些關鍵工藝和技術問題仍有待解決，一是目前的工藝都是在不銹鋼板上通過制備氧化物陶瓷涂層，其工藝復雜、成本高；二是涂層的致密性較差；三是涂層與不銹鋼基體的結合不牢固。

三、發明內容