燃料电池互连件用的合金.pdf

本发明涉及一种用于燃料电池(10)互连件(12)的合金。该合金包括至少大约60重量％的铁、大约15到大约30重量％的铬以及大约3到4.5重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。

1、  用于燃料电池的互连件的合金，包括：
至少大约60重量％的铁；
大约15到大约30重量％的铬；
大约3到4.5重量％的钨；以及
选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。

2、  权利要求1的合金，其中合金的钨含量在大约3.5重量％到大约4.5重量％的范围内。

3、  权利要求2的合金，其中合金的钨含量为大约4重量％。

4、  权利要求1的合金，其中合金的铬含量在大约15重量％到大约25重量％的范围内。

5、  权利要求1的合金，其中合金的铬含量为大约20重量％。

6、  权利要求1的合金，其中合金的所述至少一种元素的含量在大约0.01重量％到大约10重量％的范围内。

7、  权利要求1的合金，其中合金的所述至少一种元素含量在大约0.01重量％到大约1.0重量％的范围内。

8、  权利要求1的合金，其中合金的所述至少一种元素含量为大约0.1重量％。

9、  权利要求1的合金，包括镧和钇。

10、  权利要求9的合金，其中合金的镧的含量为大约0.1重量％，以及合金的钇的含量为大约0.1重量％。

11、  权利要求1的合金，其中燃料电池选自固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固体聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池、锌空气燃料电池和质子陶瓷燃料电池。

12、  固体氧化物燃料电池的互连件用合金，包括：
至少大约75重量％的铁；
大约20重量％的铬；
大约4重量％的钨；以及
选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。

13、  燃料电池装置，包括：
至少一个包括阳极、阴极和设置在两者之间的电解质的燃料电池；以及
与阳极和阴极的至少一个紧密接触的互连件结构，该互连件结构由合金制成，该合金包括：
至少大约60重量％的铁；
大约15到大约30重量％的铬；
大约3到大约4.5重量％的钨；以及
选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。

14、  权利要求13的燃料电池装置，其中该燃料电池是固体氧化物燃料电池。

燃料电池互连件用的合金
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0001]依照由美国能源部授予的合同号DE-FC26-01NT41245，在本发明中，美国政府可以具有某些权利。
技术领域
[0002]本发明通常涉及用于燃料电池中互连件的合金，尤其是涉及增强互连件的可制造性的合金。
背景技术
[0003]燃料电池通过在阳极和阴极分别将燃料和氧化剂催化成电离的原子氢和氧而产生电。在阳极，在电离过程中从氢移走的自由电子被传导到阴极，在阴极它们电离氧。在固体氧化物燃料电池的情况下，氧离子通过电解质被传导，在电解质中，氧离子和电离的氢结合形成作为废物的水，并完成这个过程。然而，电解质对燃料和氧化剂都不具有渗透性，而仅仅传导氧离子。这一系列电化学反应是在燃料电池中产生电能的唯一方法。因此，希望的是减少或消除导致不同结合，例如不产生电能并因此降低燃料电池效率的燃烧反应物的的任何混合。
[0004]燃料电池典型地是在燃料电池堆中以电串联的方式组装在一起来产生处于有用电压的能量。为制造燃料电池堆，用互连元件来将相邻的燃料电池电串联起来。当燃料电池在高温例如在约600℃和1000℃之间运行时，燃料电池承受了机械负荷和热负荷，这些负荷可以产生应变和在燃料电池堆中造成应力。在燃料电池装置中，典型的是彼此紧密接触的各种元件由不同的构建材料组成，例如金属和陶瓷。在燃料电池装置的热循环过程中，由于构建材料的热膨胀系数(CTE)的差异，元件以不同的方式膨胀和/或收缩。另外，单个元件可能由于其它现象，例如一种或多种元素的化学状态的变化经受膨胀或收缩。
[0005]典型的是，燃料电池中的互连件是金属的，并包括含有钨或钼的铁素体合金，来降低金属互连件和陶瓷电极之间的CTE差。然而，在合金中钨的高百分比降低了互连件的可制造性。即，在钨的含量处于某些级别时，在部件的加工过程，尤其是在材料的厚度减小期间，已经发现可能产生缺陷甚至裂缝。
[0006]因此，需要设计在燃料电池装置中的互连件，其适合于包括温度循环和化学状态变化的运行状态的变化，并还容易制造。
发明内容
[0007]简而言之，根据一个实施方案，提供了用于燃料电池互连件的合金。该合金包括至少大约60重量％的铁、大约15到大约30重量％的铬以及大约3到4.5重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
[0008]在另一个实施方案中，用于燃料电池互连件的另一种合金包括至少大约75重量％的铁、大约20重量％的铬以及大约4重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
[0009]在还有的另外一个实施方案中，燃料电池装置包括至少一个燃料电池，该燃料电池包括阳极、阴极和设置在两者之间的电解质。该燃料电池装置还包括与阳极和阴极的至少一个紧密接触的互连件结构。该互连件结构由合金制成。该合金包括至少大约60重量％的铁、大约15到大约30重量％的铬以及大约3到4.5重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
附图说明
[0010]参考附图，阅读下述详细描述的说明书，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，其中在附图中，相同的符号表示相同的部件，其中：
[0011]图1是说明一个重复单元的示例性的燃料电池装置的透视图，并包括根据本发明的实施方案由合金制成的互连件；和
[0012]图2示出的是图示具有改进的互连件的燃料电池的运行的示例燃料电池装置的放大部分。
具体实施方式
[0013]燃料电池已经展示了高效率和低污染发电的潜力。燃料电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)，是一个通过离子导电层，通过将燃料和氧化物电化学结合起来从而产生电的能量转化装置。如图1所示，一个典型的平面燃料电池10包括互连件部分12、一对电极，由电解质18隔开的阴极14和阳极16。
[0014]互连件部分12规定了多个与阴极14紧密接触的气流槽24和多个与相邻电池重复单元20的阳极16紧密接触的燃料流槽26，反之亦然。在运行中，将燃料流28供应给燃料流槽26，以及将空气流30，典型的是热空气供应给气流槽24。
[0015]图2示出了说明燃料电池的运行的燃料电池的一部分。如图2所示，燃料流28，例如天然气供应给阳极16，进行氧化反应。在阳极的燃料和通过电解质输送到阳极的氧离子(O^2-)发生反应。除去氧离子(O^2-)的离子以将电子释放到外部电路34。空气流30供应给阴极14，并接受来自外部电路34的电子，进行还原反应。电解质18在阳极16和阴极14之间传导离子。电子流产生直流电，该过程产生某些废气和热量。
[0016]在图1所示的典型实施方案中，燃料电池装置10包括多个具有平面结构的重复单元20，虽然可以以单一的结构来提供多个这样的电池，其中该结构可以作为电池堆或电池的集合体或能产生总输出的装置。
[0017]阳极层16的主要用途是为注入燃料电池中的燃料的电化学氧化提供反应场所。另外，阳极材料在燃料还原环境下应该是稳定的，在燃料电池运行条件下具有足够的用于燃料气体反应的电子导电性、表面积和催化活性，以及具有足够的孔隙率以允许气体传输到反应场所。阳极层16可以由许多具有这些性能，包括但不局限于贵金属、过渡金属、金属陶瓷、陶瓷和其组合的材料制成。尤其是，阳极层16可以由选自Ni、Ni合金、Ag、Cu、钴、钌、Ni-YSZ金属陶瓷、Cu-YSZ金属陶瓷、Ni-铈土金属陶瓷或其组合的任何材料制成。
[0018]典型的是，电解质18通过带铸造或带轧光设置在阳极层16的上面。电解质层的主要用途是在阳极层16和阴极层14之间传导离子。电解质将在一个电极产生的离子运载到另一个电极以平衡来自电子流的电荷，并完成燃料电池中的电路。另外，该电解质将燃料电池中的燃料和氧化剂分开。所以，该电解质在还原和氧化的环境下都必须是稳定的，不能渗透反应气体并且在运行条件下充分导电。典型的，该电解质18基本上是电绝缘的。该电解质18可以由许多具有这些特点，包括但不局限于，ZrO₂、YSZ、掺杂的铈土、CeO₂、三氧化二铋、烧绿石氧化物、掺杂的锆酸盐、钙钛矿氧化物材料或其组合的材料制成。
[0019]阴极层14设置在电解质18上。阴极层14的主要用途是为氧化剂的电化学还原提供反应场所。所以，阴极层14在氧化环境中必须是稳定的，在燃料电池运行条件下对于氧化剂气体反应具有足够的电子和离子导电性、表面积和催化活性，以及具有足够的孔隙率以允许气体传输到反应场所。阴极层14可以由许多具有这些性能，包括但不局限于导电氧化物、钙钛矿、掺杂的LaMnO₃、锡掺杂的氧化铟(In₂O₃)、锶掺杂的PrMnO₃、La铁素体、La辉钴矿、RuO₂-YSZ和其组合的材料制成。
[0020]在平面燃料电池装置中，典型的互连件的一些功能是在串联连接或并联连接的燃料电池之间提供电接触和提供燃料和氧化剂流动通道以及提供支撑结构。典型的是，陶瓷、金属陶瓷和金属合金用作互连件。由于它们的高导电性和高导热性，易于制造和低成本，在用作互连材料时，金属材料具有某些优点。在许多实施方案中，燃料电池装置可以包括具有平面结构、管状结构或其组合的燃料电池。实际上，由本发明技术提供的合金可以为很多物理燃料电池结构提供益处，并有利于在这些结构中使用的各种设计的互连件的形成。
[0021]在燃料电池环境中，金属材料的不稳定性限制了可以用作互连件的金属的数量。典型的，耐高温氧化的合金在表面形成保护性氧化物层，该氧化物层降低了氧化反应的速率。在其使用期限内，燃料电池，例如固体氧化物燃料电池的温度可以在断路状态下的室温和高达1000℃的运行温度之间循环数次。在燃料电池装置的热循环期间，包括但不局限于阳极、阴极、互连件的燃料电池装置中的元件按照各种材料的热CTE经受热膨胀和收缩。当在燃料电池装置的元件中存在CTE差异时，其中所述元件彼此紧密接触，燃料电池装置处于机械应力下。在燃料电池中出现的该机械应力接下来可以破坏燃料电池的结构整体性。
[0022]因此，用来制造互连件的金属合金应该呈现出许多特性。在选择用于互连件的合金时，必须考虑包括但不局限于耐氧化、CTE、面积比电阻(areaspecific resistance)以及可制造性的性能。
[0023]在这儿公开的用于互连件的合金含有至少大约60重量％的铁、大约15到大约30重量％的铬以及大约3到4.5重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
[0024]在一个实施方案中，合金的铬含量在大约15重量％到大约25重量％的范围内。在另一个实施方案中，合金的铬含量为大约20重量％。典型的，耐氧化的钢包括作为主要合金元素的铬。在高温、含氧的环境下，铬优选氧化，形成保护性表面层，该层典型的是由氧化铬(Cr₂O₃)组成。在高温下，这一层也呈现出电子导电性。
[0025]在合金的更特别的实施方案中，在这儿公开的钨含量是在大约3.5重量％到大约4.5重量％的范围内。在一个实施例中，合金的钨含量是大约4重量％。在铁素体钢合金(铁基合金)中，钨用作主要的加强元素。然而，在制造互连片时，百分比更高的钨使合金更难加工。为改善合金的CTE，从而与燃料电池中的陶瓷成分的CTE紧密匹配，也需要钨。在以高含量存在时，钨会使合金变硬。所以，本发明人认为，钨的高百分比改善了CTE，但是也产生了加工缺陷，例如在加工合金形成燃料电池互连件的过程中的裂缝。典型的是，这些裂缝在将合金加工成互连片时的轧制操作过程中形成。可以相信，在合金中，大约3到大约4.5重量％的钨的含量是最佳级别，其中没有互连合金的所需的性能受到损害。在这儿所述的合金组成中，钨的百分比使得合金的CTE得到改善，而没有影响合金的可制造性或加工容易度。
[0026]在一些实施方案中，该合金包括在大约0.01重量％到大约10重量％的范围内、选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。在一些其它的实施方案中，该合金包括在大约0.01重量％到大约1.0重量％的范围内、选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。在一个实施方案中，该合金包括大约0.1重量％的镧和大约0.1重量％的钇。在一些其它的实施方案中，该合金包括在大约1重量％到大约10重量％的范围内、选自锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
[0027]铝提高了合金的耐氧化性。然而，在合金中，高百分比的铝降低了合金的强度。钇和镧提高了合金的强度，也提高了耐氧化性。为改善合金的CTE以与非金属成分，如阳极、阴极和电解质的CTE相匹配，金属，例如锰、钼、锆、镍、钒、钽和钛也可以加入合金中。
[0028]在另一个实施方案中，用于互连件的合金包括至少大约75重量％的铁、大约20重量％的铬以及大约4重量％的钨。该合金还包括选自铝、钇、锆、镧、锰、钼、镍、钒、钽和钛中的至少一种元素。
[0029]在一些其它实施方案中，用于互连件的合金包括至少大约75重量％的铁、大约20重量％的铬以及大约4重量％的钨。该合金还包括大约0.1重量％的镧和大约0.1重量％的钇。
[0030]在另一个实施方案中，用于互连件的合金包括至少大约75重量％的铁、大约20重量％的铬以及大约4重量％的钨。该合金还包括大约0.5重量％的镧和大约0.5重量％的钇。
[0031]在前述部分描述的所有合金组合物可以用于不同类型的燃料电池，其包括但不局限于固体氧化物燃料电池、质子交换膜或固体聚合物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池、锌空气燃料电池或质子陶瓷燃料电池。
[0032]如图1和2所示，固体氧化物燃料电池装置10的互连件部分12可以用前述部分描述的合金组合物来制造。在这儿公开的用于燃料电池互连件的合金组合物在下述的非限制性实施例中作进一步说明。
实施例
[0033]制备包含铁、20％铬、4％钨、0.5％镧和0.5％钇的铁素体合金组合物。所有的百分比都是重量百分比。浇铸由合金组合物制成的锭，在升温状态下，将其机械变形成矩形棒。然后将该棒料热轧成具有0.150英寸厚度的板。在浇铸和热加工过程中，材料没有出现裂缝。热轧后测量平均维氏硬度为200.2HV，标准偏差为3.5HV。然后冷轧操作，重复减小材料厚度。虽然试图每次减小25％厚度，但是测得的厚度减小处于13％和32％之间。七次冷轧操作，每次的厚度平均减小量为24％。在薄片加工过程中，在轧制过的薄片上没有检测到裂缝。每个轧制步骤后，在500克负荷、13秒停留时间下，以维氏单位测量硬度。该硬度在200到335HV内变化。在取自同一块锭中的样品上进行压缩负荷试验。测得4个样品的屈服应力为45.8ksi。
[0034]虽然在这儿只图示和描述了本发明的某些特征，但对本领域技术人员来说可以进行许多改进和变化。因此，容易理解，附加的权利要求倾向于覆盖落入本发明的真实精神范围内的改进和变化。
部件清单
10  燃料电池装置
12  互连件
14  阴极
16  阳极
18  电解质
20  重复单元
22
24  气流槽
26  燃料流槽
28  燃料流
30  空气流
32  燃料电池的放大部分
34  外部电路