一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，该陶瓷材料为改性钛硅碳，其化学式为(Ti1‑

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于能源工程与
，具体涉及一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池由于具有可使用含碳燃料、发电效率高和发电成本低等优点，在分布式电站和动力电源等领域均有广阔的应用前景。当SOFC使用温度在600
‑
800℃，合金能够作为连接体材料，这些合金主要为铬基合金、镍基合金和铁基合金，合金连接体材料有其自身的优点。但也有致命缺点：1.铬的化合物挥发问题。2.热膨胀系数不匹配问题。3.抗蠕变性能不足。因此，发展新型的性能优异的固体氧化物燃料电池连接体材料具有十分重要的实用化意义。专利技术人在前研究中，提出的解决方案如：申请号201711121195.5一种用于固体氧化物燃料电池(SOFCs)连接体的新型陶瓷材料钛钨硅碳，其化学式为(Ti1‑
x
W
x
)3SiC2(x＝0.005～0.2)。该陶瓷材料热膨胀系数为(9.7
±
0.5)
×
10
‑6K
‑1，该陶瓷材料最大的特点是：1.热膨胀系数与YSZ接近；2.在SOFCs工作环境中不会产生挥发性污染物，可以避免阴极毒化和电堆老化加速的问题。但传统的热压烧结法烧结过程复杂，生产效率低，而且加工成本高、效率低、成品率很低的问题，要想进一步实际应用，需要对制备方法进行优化，以推动固体氧化物燃料电池的产业化进程。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种用于固体氧化物燃料电池(SOFCs)连接体的新型陶瓷材料改性钛硅碳(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2(N为V或Zr,x＝0.01～0.3)，及其无压烧结制备工艺，其在SOFCs上具有大的实用化前景，可以推动固体氧化物燃料电池的产业化进程。
[0004]本专利技术采取的技术方案是：
[0005]一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，所述连接体材料为改性钛硅碳陶瓷材料，是钛硅碳在Ti位置进行V或者Zr掺杂改性的陶瓷相材料，所述改性钛硅碳化学式为(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2，N为V或Zr。
[0006]该陶瓷材料不是五种原料粉末的简单烧结，而是通过原位无压烧结获得(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2单相粉料，然后通过冷等静压加后续无压烧结获得所需陶瓷连接体，形成的是一种相成分，是一种单相。五种原料粉末中任何一种单独元素都没有合成单相材料的性能，之前研究过Ti与C元素形成TiC，这种材料的抗氧化性能差，在工作中会发生严重氧化，一段时间后基体会全部氧化成氧化物，这会导致氧化膜电阻过大，达不到连接体材料的导电性能要求。而用Ti，Si与C粉末去合成Ti3SiC2材料，该材料氧化后，其表面形成的氧化膜较厚，导电性能较差。用V或者Zr，与Si和C粉末烧结制备不能得到单相，只能形成碳化物与SiC等混合杂相，无法形成单相成分。
[0007]进一步的，所述化学式(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2中，x＝0.01～0.3。
[0008]更进一步的，所述化学式(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2中，Al掺杂取代3at.％的Si，促进掺杂陶瓷的致密度，提高陶瓷的烧结性能，最后能降低连接体的气体渗透率。
[0009]进一步的，所述改性钛硅碳材料的致密度＞95％。
[0010]更进一步的，所述改性钛硅碳材料在600～800℃温度区间内的氧化速率常数是1.06
×
10
‑
13
g2·
cm
‑4·
s
‑1～5.67
×
10
‑
13
g2·
cm
‑4·
s
‑1，热膨胀系数是(9.0
±
0.7)
×
10
‑6K
‑1。其热膨胀系数与SOFCs电解质氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的热膨胀系数(10.5
×
10
‑6K
‑1)非常相近，最为突出的特点是在工作时不会产生挥发性产物导致阴极中毒问题。
[0011]进一步的，所述改性钛硅碳材料在SOFCs阴极工作环境下，控制氧化温度为800℃，氧化100～700小时后，得到氧化产物为晶态的掺杂金红石TiO2和非晶态SiO2，氧化膜表面平整，氧化膜的氧化层为单层结构，氧化膜厚度≤6μm。
[0012]更进一步的，所述改性钛硅碳材料在SOFCs阴极工作环境下，控制氧化温度为800℃，氧化500小时后，材料的面比电阻为62
±
5mΩ
·
cm2。
[0013]进一步的，改性钛硅碳陶瓷材料的制备过程如下：
[0014]将高纯Ti粉、V粉(或者Zr粉)、Si粉、Al粉和石墨粉按照设计材料分析式进行混合均匀；
[0015]在10～20MPa压力下冷压成型，然后以流动的氩气作为保护气，在1450～℃1600℃无压烧结1小时，将获得的材料粉碎，并用球磨机研磨成不同粒径的粉料。
[0016]采用(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2粉为原料粉，将粉料置于特制的连接体模具中，在30～50MPa压力下冷压成型，然后利用冷等静压在不同压力(100～300MPa)将坯体再次压制成型，最后将(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2坯体分别埋入((Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2粉、SiC粉或TiC粉中，一同放入烧结炉中，以流动的氩气作为保护气，在1200～1600℃温度下，无压烧结10～120分钟，得到(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2连接体。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018]1.采用将(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2粉体冷等静压成型，然后无压烧结的方法，直接制备出连接体，制备过程和设备简单，不需要二次加工，生产效率和成品率高，能够极大地推进陶瓷连接体的商业化应用。
[0019]2、改性钛硅碳材料的热膨胀系数与SOFCs电解质YSZ的相近，从而可以减少电堆在升降温过程中产生的热应力；
[0020]3、改性钛硅碳材料具有较高的致密度(>95％)，可以减小在服役过程中出现气体泄漏率；
[0021]4、改性钛硅碳材料具有高的热导率，热导率为(19.2
±
6.3)W
·
m
‑1·
K
‑1，高的热导率可以提高固体氧化物燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述连接体材料为改性钛硅碳陶瓷材料，所述改性钛硅碳化学式为(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2，N为V或Zr，N在Ti位置的掺杂提高钛硅碳陶瓷的抗氧化和导电性能，Al在Si位置的掺杂用于提高致密度并减少气体渗透率，提高陶瓷的烧结性能。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述化学式(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2中，x＝0.01～0.3。3.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述陶瓷连接体材料是通过冷等静压成型，然后无压烧结的方法，直接制备出的连接体，制备过程和设备简单，不需要二次加工，直接烧结制备出流道结构，生产效率和成品率高。4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述化学式(Ti1‑
x
N
x
)3(Si,Al)C2中，Al掺杂取代3at.％的Si，促进掺杂陶瓷的致密度减少气体渗透率，提高陶瓷的烧结性能。5.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述改性钛硅碳材料的致密度＞95％。6.根据权利要求4所述的固体氧化物燃料电池陶瓷连接体材料，其特征在于：所述改性钛硅碳材料在600～800℃温度区间内的氧化速率常数是1.06
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g2·
cm
‑4·
s
‑1～5.67
×
10
‑
13
g2·
cm
‑4·
s
‑1，热膨胀系数是(9.0
±
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【专利技术属性】
技术研发人员：李希超，郑莉莉，戴作强，张洪信，何田，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：