专利名称：一种固体氧化物燃料电池连接体的制备方法
技术领域：
本发明提出一种固体氧化物燃料电池连接体的制备方法，具体的说，连接体由铁基不锈钢合金制成，其内设有氧化气和燃料气气流通道及进、出气口，并设有放置密封材料的密封槽，阴极侧气道表面为氧化气氛下稳定的导电陶瓷保护层，阳极侧气道表面为还原气氛下稳定的导电金属保护层。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的全固态能量转换装置。SOFC除了具有燃料电池的高能量转换效率、无污染、低噪音等特点外，还具有对燃料适应性强，电极材料催化活性高，不存在液态电解质的漏液、腐蚀问题等突出优点，这些特点使其总的燃料发电效率在单循环时有潜力超过60％，而对总的体系来说效率可高达80％。SOFC被认为是高效的、万能的发电系统，特别适合用作分散电站，并可广泛应用于发电、热联供、交通、空间宇航和其它许多领域，因而被誉为21世纪的绿色能源。
SOFC由正极、电解质和负极组成单体电池，单体电池通过连接体串联起来，组成电堆，因而，连接体起着在相邻电池之间传导电子、提供气流通道及分隔氧化气和燃料气的作用。通常，SOFC的工作温度在1000℃左右，高的工作温度对连接材料的选择产生了很大的限制。早期连接材料的研究主要集中在对钙钛矿结构(ABO3型)陶瓷材料的研究。但由于陶瓷连接材料存在电导率低、导热性能差，力学强度偏低，难于加工成连接体的复杂形状，难于致密化烧结等缺点，从而限制了SOFC的商品化。目前，随着YSZ电解质的薄膜化及采用在中温下具有较高电导率的新型电解质材料，SOFC的工作温度可降至800℃，则以耐高温氧化合金材料代替陶瓷材料制备连接体成为可能。合金连接材料与陶瓷连接材料相比，因具有高电导性、热导性、良好的延展性、可加工性和制造成本低等优点，在连接体材料研究中备受关注。用作连接体的合金材料主要为Ni基合金、Cr基合金和Fe基合金。
和本发明相近的现有技术有选择Ni基合金和Cr基合金作为连接体材料的。但由于Ni基合金的热膨胀系数(TEC)(16-20×10-6K-1)比YSZ(9-12×10-6K-1)电解质的大，在电池启停过程中的热冲击及工作过程中的温度分布所产生的热应力，均可导致电解质膜破坏，从而影响了SOFC工作性能的稳定。Cr基合金，Cr(VI)的挥发问题尤其严重，在应用过程中证明这种合金制备的连接体导致电池正极性能迅速降低，不能满足SOFC长期工作要求。密封方式有采用机械密封和柔性石墨密封的，实践证明，机械密封不能有效地缓冲电池在热循环过程中产生的过大热应力；而柔性密封又极易漏气。
发明内容
本发明的要点之一，固体氧化物燃料电池连接体材料选择Fe基不锈钢合金，合金中含Cr10％-30％，以保证在合金表面生成致密的Cr2O3保护层，从而提高合金的耐高温氧化性能，保证SOFC的化学稳定性。要点之二，连接体气道的槽脊和气槽宽度比为1/3至2/3，槽深为0.5-2.5mm，以降低浓度极化，达到良好的导电性要求。要点之三，阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层致密的La1-xSrxMnO3-σ，La1-xSrxFeO3-σ，或La1-xSrxCrO3-σ导电陶瓷保护性涂层(0.1≤x≤0.6)，涂层厚度在5-200μm，以抑制Cr(VI)的挥发，提高合金的耐高温氧化性能；阳极侧连接体气道表面带有一层Cu或Ni金属保护层，厚度为5-20μm，保护层可以采用电镀、化学镀或物理气相沉积方法获得。要点之四，氧化气和燃料气采用叉流式进气方式，气道周围设计双层密封槽，采用机械密封与柔性密封相结合的方式，更好地提高了密封效果，有效地防止了混气。要点之五，连接体表面粗糙度为Ra1.6-Ra0.8，面平行度≤0.04，平面度≤0.04，较好地保证了连接体和陶瓷板之间的紧密配合，避免了由于金属板形变而导致陶瓷板的压破。要点之六，连接体的上、下盖单侧带有气道及相应的保护层。
附图
图1为连接体的结构图，图1中1为槽脊，2为进出气口，3为气道，4为密封槽；图2为连接体上、下盖结构图。
本发明的主要优点在于固体氧化物燃料电池连接板采用Fe基不锈钢合金材料，成本较低、资源丰富，与其它电池组件的反应活性低、热膨胀系数匹配性好，阴极侧连接体气道表面等离子喷涂导电陶瓷保护涂层，阳极侧连接体气道表面带有金属保护层，能极大的改善电池的电化学性能及使用寿命，而且连接体加工工艺简单，可操作性强。
具体实施例方式实施例1采用Fe-10Cr不锈钢合金，外形尺寸为100×100mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为40×40mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与气道的宽度比为1/3，气道深为0.5mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层5μm厚的La0.9Sr0.1MnO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面电镀一层5μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层，连接体表面粗糙度为Ra1.6，面平行度≤0.04，平面度≤0.04。连接体上盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层5μm厚的La0.9Sr0.1MnO3-σ保护性涂层，连接体下盖阳极侧带有气道，气道表面电镀一层5μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层。
实施例2采用Fe-12Cr不锈钢合金，外形尺寸为120×120mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为45×45mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与槽的宽度比为1/3，气道深为0.8mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层40μm厚的La0.7Sr0.3MnO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面化学镀一层8μm厚的金属Ni，也可是Cu保护层，连接体表面粗糙度为Ra1.4，面平行度≤0.04，平面度≤0.04。连接体上盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层40μm厚的La0.7Sr0.3MnO3-σ保护性涂层，连接体下盖阳极侧带有气道，气道表面化学镀一层8μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层。
实施例3采用Fe-16Cr不锈钢合金，外形尺寸为150×150mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为50×50mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与槽的宽度比为1/2，气道深为1.0mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层120μm厚的La0.7Sr0.3FeO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面物理气相沉积一层10μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层，连接体表面粗糙度为Ra1.2，面平行度≤0.03，平面度≤0.03。连接体上盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层120μm厚的La0.7Sr0.3FeO3-σ保护性涂层，连接体下盖阳极侧带有气道，气道表面物理气相沉积一层10μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层。
实施例4采用Fe-18Cr不锈钢合金，外形尺寸为160×160mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为60×60mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与槽的宽度比为1/2，气道深为1.5mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层160μm厚的La0.8Sr0.2FeO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面电镀一层14μm厚的金属Ni，也可是Cu保护层，连接体表面粗糙度为Ra1.0，面平行度≤0.02，平面度≤0.02。连接体下盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层160μm厚的Lac0.8Sr0.2FeO3-σ保护性涂层，连接体上盖阳极侧带有气道，气道表面电镀一层14μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层。
实施例5采用Fe-26Cr不锈钢合金，外形尺寸为200×200mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为100×100mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与槽的宽度比为3/5，气道深为2.0mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层180μm厚的La0.5Sr0.5CrO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面化学镀一层16μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层，连接体表面粗糙度为Ra1.0，面平行度≤0.02，平面度≤0.02。连接体下盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层180μm厚的La0.5Sr0.5CrO3-σ保护性涂层，连接体上盖阳极侧带有气道，气道表面化学镀一层16μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层。
实施例6采用Fe-30Cr不锈钢合金，外形尺寸为250×250mm，内部与电极面积相匹配的气道总面积为150×150mm，空气和燃料气的进气方式采用叉流式，槽脊与槽的宽度比为2/3，气道深为2.5mm，气道周围设计双层密封槽。阴极侧连接体气道表面等离子喷涂一层200μm厚的La0.4Sr0.6CrO3-σ保护性涂层，阳极侧连接体气道表面物理气相沉积一层20μm厚的金属Cu，也可是Ni保护层，连接体表面粗糙度为Ra0.8，面平行度≤0.01，平面度≤0.01。连接体下盖阴极侧带有气道，表面等离子喷涂一层200μm厚的La0.4Sr0.6CrO3-σ保护性涂层，连接体上盖阳极侧带有气道，气道表面物理气相沉积一层20μm厚的金属Cu,也可是Ni保护层。
权利要求
1.一种固体氧化物燃料电池连接体，其特征在于固体氧化物燃料电池连接体由铁基不锈钢合金制成，不锈钢合金中含Cr10％-30％。
2.根据权利要求1所述固体氧化物燃料电池连接体，其特征在于气道的槽脊和气槽宽度比在1/3至2/3之间，气槽深度为0.5-2.5mm，气道周围设计双层密封槽。
3.根据权利要求1所述固体氧化物燃料电池连接体，其制备方法的特征在于阴极侧连接体表面等离子喷涂La1-xSrxMnO3-σ，La1-xSrxFeO3-σ，或La1-xSrxCrO3-σ导电陶瓷保护涂层(0.1≤x≤0.6)，涂层厚度为5-200μm，阳极侧连接体表面带有金属保护层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于阳极侧连接体表面金属保护层可以是Cu或Ni，厚度为5-20μm，保护层可以采用电镀、化学镀或物理气相沉积方法获得。
全文摘要
本发明提出一种固体氧化物燃料电池连接体的制备方法，该方法包括以下方面固体氧化物燃料电池连接体材料选用铁基不锈钢合金，不锈钢合金中含Cr10％－30％；连接体上气道的槽脊和气槽宽度比在1/3至2/3之间，气槽深度为0.5－2.5mm，气道周围设计双层密封槽；阴极侧连接体表面等离子喷涂La
文档编号H01M8/02GK1667859SQ200510009899
公开日2005年9月14日 申请日期2005年4月15日 优先权日2005年4月15日
发明者孙克宁, 付长璟, 张乃庆, 邵延斌 申请人:哈尔滨工业大学