抗蠕变的铁素体钢制造技术

本发明专利技术涉及一种在６００－１０００℃下特别抗蠕变的铁素体钢，其含Ｆｅ↓［２］（Ｍ，Ｓｉ）和／或Ｆｅ↓［７］（Ｍ，Ｓｉ）的金属间相的析出物。其中Ｍ是金属，特别是铌、钼、钨和／或钽。该析出物可在其制备时、在热处理时或在高温使用时形成。该金属由硅部分取代。由此与现有技术相比，可向钢中引入显著更多的增加抗蠕变性的析出物，而不会因而有损于该材料的耐氧化性。如果该合金还含铬，则该钢可制成形成氧化铬的钢，这种钢特别可用于高温燃料电池组中的双极板。该双极板可如此设计，以使其氧化物表面层具有优良的导电性且具有低的铬气化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】抗蠕变的铁素体钢本专利技术涉及一种用于特别是供高温燃料电池使用的耐高温构件的 抗蠕变的铁素体钢。
技术介绍
高温燃料电池(固体氧化物燃料电池，SOFC)借助于氧化剂如氧或空 气将燃料如氢、曱烷或一氧化碳的化学能直接转化为电能。该燃料通过 固体电解质如钇-稳定的氧化锆与氧化剂分隔开。在600-1000 。C的电池运 行温度下，该固体电解质将氧离子从氧侧(阴极室)导向燃料侧(阳极室)， 在那里氧离子与燃料反应。这时释放出可供外部用电器具使用的电子。该固体电解质涂有多孔的有催化作用的电极材料。通常在燃料側的 阳极由用金属镍和钇-稳定的氧化锆制成的金属陶瓷组成。在氧侧的阴极 通常由基于镧的钙钛矿组成。因为各燃料电池仅给出数量级为l伏的低电压，所以对于大多工业应用需将多个燃料电池相接通到一起。为此通常将多个电池叠加成所谓 电池组。这时在两电池之间总还需要双极板(即也称为内接触)。该双 极板将电流从一个电池导向下一电池，并同时将该电池的阴极室气密性 地与另 一电池的阳极室分隔开。在大多现今讨^仑的SOFC-平面电池-设计 中，该双才及板还起电池中的气体分布作用，并贝武予电池以枳4成稳定性(EP 0338823 Al)。因此该双极板与厚度的数量级为100nm的电解质和电极 不同，其厚度通常为几毫米。在较新的SOFC-设计特别是在汽车或飞机 中的移动式应用中，为减轻重量该双极板已经呈明显较薄(0.3-l mm)构 造。对双极板的要求是各式各样的。在高温下在一侧施加燃料和在另一 侧施加氧时必须具有高的耐氧化性。此外，其还要与电池的其它一部分 由陶瓷制成的部件呈机械上的牢固相连。为了在温度交变下不会产生能 破坏其它部件的积4成应力，该双极板必须具有与其余部件相适配的热膨 胀系数(约10-12 x 10"K")。该热膨胀系数在各种情况下所需的准确值与 各电池设计有关。在由阳极基材支承的电池中的热膨胀系数通常需比基 于电解质-箔设计的电池设计的热膨胀系数要高。铁素体铬钢原则上可满足这些要求组合。该材料在其表面上形成使材料内部防腐的基于0203的氧化层。但该层在高温燃料电池的高运行温度下通常是不稳定的。该层会剥落，其碎片会堵塞双极板的气体通道 并会阻止气体流动。此外，该层还会随时间由进一步腐蚀而变厚，这使 其导电性不断降低，从而使燃料电池组的输出功率不断降低。此外，如 在阴极室存在的高的氧供入下，形成挥发性的氧化铬或氢氧化铬，该挥 发性的氧化铬或氬氧化铬在阴极上或阴极与电解质的界面上起催化剂 毒物的作用，并且电池功率进一步持续降低。为稳定该氧化铬层，DE 4410711 Cl中公开了一种由形成氧化铬的 合金制成的双极板，该双极板在导气面区域配置有铝保护层。该铝层于 运行温度下在其表面形成Ah03层，其保护氧化铬层免受腐蚀。但在该 双极板情况下，电极和双极板之间的接触面区域由氧化铬层引起的导电 性的有害降低仍然存在。此外，从EP 0410166A1已知一种用于高温燃料电池导电的构件。 该构件具有由金、钯或铂制成的不可氧化的金属外壳，该外壳具有高的 导电性，且无材料经挥发而损失。但该部件在制造上非常昂贵，且不能 确保长期运行的稳定性。在DE 4422624 Al中描述了 一种用于保护含铬物件的方法，在该方 法中涂覆氧化性铬酸盐保护层。但该涂层方法的缺点是该双极板变得明 显昂贵。此外该层在运行时在机械损伤情况下不具有可修复性。在DE 10025108 Al中曾公开一种铁素体内接触材料的新型组合物。层，、该氧化物层具有小的:长速度 对金属基材的优异粘附性、;电导 率以及小的铬挥发。为实现这种有利特性的组合，例如将合金元素铝和 硅的最大浓度限制为非常小的值。因为这些元素在通常的钢生产中常作 为除氧剂使用，所以有利的钢特性大多仅通过使用新的复杂的和由此昂 贵的制备方法达到。特别是在拟仅有较低内接触厚度(约0.3-1 mm)、高运行温度(约温度交变)的电池组设计中，铁素体钢的特殊特性使得其特5别不利。这种 钢在高温下仅具有小的抗蠕变性。在机械应力如由氧化引起的机械应力 下，其易于出现永久性的塑性变形。由此会使在两燃料电池之间的双极板产生的气密性密封开裂，并使燃料电池组完全失效。为提高抗蠕变性，通常通过合金化接合过渡金属、高熔点金属或轻 金属。过渡金属常有害地引起材料的奥氏体化，这增加了膨胀系数并恶 化抗氧化性。高熔点金属通常降低了材料的可延展性。轻金属甚至以非常低的浓度即0.1-0.4质量％存在通常也会恶化基于Cr的氧化覆盖层的 保护特性和电导性。因此，由此方式得到的抗蠕变钢不适合作用高温燃 料电池的内接触的结构材料。专利技术目的及解决方案因此，本专利技术的目的是提供一种铁素体钢，其适合用作高温燃料电 池的内接触的结构材料，并在600。C以上温度具有优于现有技术所用的 钢的抗蠕变性。本专利技术的另 一 目的是提供一种由所述铁素体钢制备的在频繁温度 交变下呈持久气密性的双极板以及在高温和频繁温度交变下具有更长 使用寿命的燃料电池组。本专利技术的目的是通过主权利要求的钢及通过副权利要求的该钢在 双极板和燃料电池组中的用途实现的。其它有利的方案列于与此相关的 从属权利要求中。
技术实现思路
铁素体钢包括含至少一种金属合金元素M的Fe2(M, Si)或Fe7(M, Si)6型的金属间相的析出物。该金属间相可在钢制备时已形成。但该相 也可在600-1000。C之间温度下的该钢其后的热处理后或在其后使用中 形成。原则上各种金属均适合作为合金元素M,该金属与铁一起形成 Fe2M或Fe7M6型的金属间相，特别是铌、钼、鴒或钽。也可应用多种金 属M的组合。已知按现有技术合金化结合入这类金属本身由于两个互相独立的 物理作用机理而使得该钢不适用于高温燃坤+电池。 一方面Fe2M或Fe7M6 型的析出物具有非常不足的耐氧化性。由此在高温下形成局部快速生长 的氧化物。另一方面在合金基质中存在的元素M嵌入Cr-氧化物层中， 并由此大大增加了其生长速度。根据本专利技术，在金属间相中的金属M部分由硅所取代。该金属间相的化学通式为Fe2(M, Si)或Fe7(M, Si)6型。令人意外地发现，在高温下 该所述金属间相的耐氧化性明显增加，特别是在与高温燃料电池的运行 气氛相接触时。同时抑制了该金属M在Cr-氧化物层中的有害嵌入。此外还发现，该硅作为轻金属合金元素在取代金属M时通常不显示 出其由现有技术已知的有害作用，这是因为硅溶于该金属间相中。该现 有技术的有害作用是由硅在高温下的内氧化引起的。内氧化意指在合金表面上的氧化物外覆盖层下形成合金内的氧化 物析出物。内氧化的结果是在氧化铬覆盖层中通过体积增加产生金属夹杂物， 并在该氧化铬下形成部分穿透的Si-氧化物层。该硅的有害作用在本发 明的以硅取代金属M的情况下受到抑制，只要最多仅添加可以完全溶解 在金属间相中的那么多的硅即可。对此硅和金属M间的多大量比是最合 适的要取决于金属M的选择以及基材的组成。对具体的应用可由专业人 员以合理数量的实验求取。通过本专利技术的以硅取代金属M,在高温燃料电池应用中可在铁素体 合金基质中引入比按含Fe2M或Fe7M6的现有技术的那些更多的金属间 相Fe2(M， Si)或Fe (M, Si)6析出物,以有利于达到更高的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁素体钢，其包括含至少一种金属合金元素Ｍ的Ｆｅ↓［２］（Ｍ，Ｓｉ）或Ｆｅ↓［７］（Ｍ，Ｓｉ）↓［６］型金属间相的析出物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：WJ奎达克斯，L尼沃拉克，PJ恩尼斯，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]