对用于固体氧化物电池堆应用的铁素体钢互连件进行铬升级的方法技术

一种对用于固体氧化物电池堆的由铁素体钢制成的互连件进行铬升级的方法包括以下步骤：使互连件成型；在成型的互连件的至少一个表面上沉积包含Cr的涂层；在低于1000℃的温度下进行一次或多次热处理，在该方法中，在互连件表面附近所得的Cr浓度高于成型前铁素体钢中的Cr浓度。具体地，成型的互连件的平均Cr浓度增加到26wt％Cr或更高。度增加到26wt％Cr或更高。度增加到26wt％Cr或更高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对用于固体氧化物电池堆应用的铁素体钢互连件进行铬升级的方法


[0001]本专利技术涉及铁素体钢材料的铬升级，更具体而言，涉及用于固体氧化物电池(SOC)堆中的铁素体钢互连件的铬升级。
[0002]背景
[0003]不锈钢是铁合金，其具有10.5wt％的最低Cr含量和1.2wt％的最高碳含量。
[0004]根据其晶体结构，不锈钢分为不同的家族：奥氏体、铁素体、双相和马氏体。最大的一类不锈钢是奥氏体。奥氏体不锈钢可进一步分为五个子类：Cr
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Mn、Cr
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Ni、Cr
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Ni
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Mo、高性能和高温。最常见的奥氏体钢是Cr
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Ni，其含有8
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10wt％的Ni和17
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18wt％的Cr，其余为Fe，其通常被称为18
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8型不锈钢。需要钢中有Ni，以稳定具有面心立方(FCC)晶体结构的奥氏体相(γ
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Fe)，该结构在室温下保持稳定。奥氏体等级被归类为非磁性的，具有良好的可焊性和成形性。
[0005]铁素体不锈钢是第二大常用不锈钢种类，通常被称为奥氏体钢的“无镍”替代品。铁素体钢主要包含Fe和Cr，且取决于应用，Cr含量可以在很宽的范围内变化(从10.5到29wt％)。铁素体钢可以进一步细分为五个不同的类。第1
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3类具有最广泛的应用，因此也是铁素体钢的最大产量。第1
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3类的钢通常被称为“标准铁素体等级”。第1类的Cr含量最低(在10.5至14wt％的范围内)，而第2
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3类的Cr含量在14至18wt％的范围内。第2类是使用最广泛的铁素体不锈钢系列。AISI 430是一类使用特别广泛的第2类不锈钢，在许多室内应用中，它已经超越了奥氏体替代品AISI 304，在这些应用中，耐腐蚀性不太重要，但期望较小的价格波动(由于无镍配方)。第3类与第2类的区别在于第3类含有额外的稳定元素，例如Ti、Nb和Zr，这些元素与碳和氮二者结合，在所有温度下都留下完全的铁素体晶体结构。因此，第3类全体物质通常比其他类显示出更好的可焊性和抗敏化性。第4类具有10.5至18wt％的Cr，并与Mo形成合金，以具有额外的耐腐蚀性。第5类的铁素体具有高于18wt％的形成合金的Cr，或者不属于其他类。通常，第5类的铁素体钢具有非常高的耐腐蚀性，但可焊性低，而且它们对脆化也很敏感。第5类中同时含有高的Cr和Mo的等级被称为“超级铁素体”，用于在其中认为腐蚀是极端的应用中取代钛。铁素体不锈钢具有体心立方(BCC)晶体结构(α
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Fe)，具有磁性，并且具有比奥氏体钢更低的热膨胀系数。
[0006]双相不锈钢是另一类不锈钢。双相钢基本上是铁素体和奥氏体相的混合物，具有50％铁素体和50％奥氏体的大致相平衡。双相不锈钢的特征在于高Cr含量(20.1至25.4wt％Cr)但Ni含量相当低(1.4至7wt％Ni)。在双相钢中，结合了奥氏体钢和铁素体钢的许多有益特性。由于铁素体含量，双相等级具有磁性。
[0007]马氏体不锈钢是不锈钢中最小的一类。马氏体钢通常含有12
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17wt％的Cr和0
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5wt％的Ni。正是合金组成和淬火过程中高冷却速率的结合，将微结构转变为具有体心四方(BCT)晶体结构的马氏体。马氏体钢具有可硬化性和磁性。
[0008]固体氧化物电池(SOC)可作为固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体氧化物电解池运行(SOEC)或可逆的，即在SOFC和SOEC模式之间切换运行。
[0009]固体氧化物燃料电池包括氧离子传导电解质、氧电极(阴极，氧在此处被还原)和燃料电极(阳极，燃料(例如氢气、甲烷或天然气)在此处被氧化)。SOFC中的整体反应是所用的燃料和氧气进行电化学反应以产生电、热和被氧化的物质。如果使用氢气作为燃料，则被氧化的物质是水，如果使用一氧化碳作为燃料，则被氧化的物质是二氧化碳，对于烃燃料，则被氧化的物质是水和二氧化碳的混合物。
[0010]固体氧化物电解池包括氧离子传导电解质、燃料电极(阴极，在外加电场的帮助下，被氧化的物质(例如水或二氧化碳或其两者)在此处被还原)和氧电极(阳极，氧离子在此处被氧化成分子氧)。SOEC中的整体反应是使用电和热将被氧化的物质以电化学方式转化为被还原的物质。如果供给到电池堆中的被氧化的物质是水，则在燃料电极上形成氢气。如果被氧化的物质是二氧化碳，则在燃料电极上形成一氧化碳。如果被氧化的物质是水和二氧化碳的混合物，则产生一氧化碳和氢气的混合物(也称为合成气)。
[0011]SOC在约500℃至约1100℃的温度范围内运行。需要提高运行温度以确保电解质中足够高的氧离子传导率。SOC常用的电解质材料包括但不限于氧化钇稳定化的氧化锆(YSZ)和氧化钆掺杂的氧化铈(CGO)。
[0012]在SOC堆中，各自包括燃料电极、电解质、氧电极和任选的附加层的多个电池通过在每对电池之间插入互连板(或“互连件”或“互连器”)的方式串联连接。互连件的作用是提供从一个电池到下一个电池的电接触，以帮助气体在整个电池中分布，并且在某些设计中避免在阳极室和阴极室之间气体发生混合。
[0013]互连件可以由陶瓷材料(例如掺杂的镧或钇铬酸盐)制成，也可以由金属(例如不锈钢)制成。金属互连件优于陶瓷互连件的优点包括：1)更低的材料和制造成本；2)成型(shaping)更简单，不那么复杂；3)更高的导电性和导热性；4)延展性。因此，对于在低于850℃的温度下运行的SOC，优选金属互连件。
[0014]适用于金属SOC互连件的材料需要在升高的运行温度下对供给至氧电极和燃料电极的气体具有抗氧化性，并且它们还必须表现出与电池的陶瓷组件的热膨胀系数(CTE)相匹配的CTE。此外，在高温下在钢表面上形成的保护性氧化物屏障必须具有导电性。鉴于这些要求，形成氧化铬表面层的铁素体合金(例如形成氧化铬的铁素体钢)特别适合用作SOC堆应用中的互连件。此类高铬铁素体钢的实例包括但不限于AISI 441、AISI 444、AISI 430、AISI 446、Crofer 22H、Crofer 22APU、ZMG G10、E
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brite、Plansee ITM等。用于金属SOC互连件的其他材料包括Plansee CFY(一种基于<95wt％Cr、5wt％Fe和Y的合金)。
[0015]例如，US 6.936.217B2描述了一种高温材料，其由形成铁合金的氧化铬组成，该铁合金包括：a)12至28wt％的Cr，b)0.01至0.4wt％的La，c)0.2至1.0wt％的Mn，d)0.05至0.4wt％的Ti，e)小于0.2wt％的Si，f)小于0.2wt％的Al，其中，在700℃至950℃的温度下，该高温材料能够形成MnCr2O4尖晶石相。上述描述所涵盖的铁素体不锈钢已经以商品名Crofer 22APU商业化。Crofer 22A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种对用于固体氧化物电池堆的由铁素体钢制成的互连件进行铬升级的方法，所述方法包括以下步骤
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使互连件成型，
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在成型的互连件的至少一个表面上沉积包含Cr的涂层，
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在低于1000℃的温度下进行一次或多次热处理，由此在互连件表面附近所得的Cr浓度高于成型前铁素体钢中的Cr浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其中成型的互连件中的平均Cr浓度增加到26wt％Cr或更高。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述铁素体钢是第1类铁素体钢、第2类铁素体钢、第3类铁素体钢、第4类铁素体钢、或以下钢中的一种：Crofer22APU、Crofer22H、ZMG G10。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述铁素体钢是第2类铁素体钢，例如AISI 430。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中沉积步骤被表征为镀硬铬。6.根据权利要求5所述的方法，其中沉积的涂层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：托普索公司，
类型：发明
国别省市：