[发明专利]铁素体铬钢

说明书

本发明大体上涉及一种铁素体铬不锈钢。此外，本发明涉及所述 钢在燃料电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)中的应用。具体地， 本发明涉及一种适合于用作固体氧化物燃料电池中的互连接件或双极 板，或者其中需要导电表面的其它高温应用的铁素体铬钢。

背景技术

固体氧化物燃料电池在500℃到高达900℃的高温下工作，电池中 的材料经受用作燃料的的腐蚀性气体。因此，在选择适于SOFC应用 的材料时，需要考虑若干不同的性质，例如热膨胀、耐蚀性、机械性 能等。用于SOFC中的互连接件的钢的热膨胀需要密切匹配构成阳极、 电解质和阴极的陶瓷元件的热膨胀，以避免这些元件的任何一个在热 循环中断裂。连接件材料也需要良好的耐蚀性，从而可以避免产生将 增加电池总电阻的太厚的氧化物皮(scale)。此外，即使比较薄，所形成 的氧化物皮也必须导电，即绝缘氧化物形成元素(oxide former)如Al必 须避免存在于钢中。钢的机械强度将给予放置在一起时的整个燃料电 池组的稳定性。

铁素体铬钢通常用于对高温耐蚀性具有高要求的应用。这种钢的 热膨胀跟应用于SOFC电池组的电活性陶瓷材料，例如作为燃料电池 中的电解质的常用材料钇稳定氧化锆(YSZ)的热膨胀接近，因此认为是 该应用的适当选择。

期望在钢连接件材料上形成的氧化物皮不会由于热循环而剥落或 破裂，因为这会引起钢不必要的灾难性腐蚀。这意味着材料表面上形 成的氧化物皮应当对材料具有良好的附着性。氧化物皮还应当具有良 好的导电性，并且在燃料电池的寿命内不能生长得太厚，因为较厚的 氧化物皮将会导致增加的电阻。所形成的氧化物还应当对用作SOFC 中的燃料的气体具有化学抗性，即不应当形成挥发性的含金属的物类 例如羟基氧化铬。挥发性物类例如羟基氧化铬将会污染SOFC电池组 中的电活性陶瓷材料，这将会导致燃料电池的效率降低。

大多数商业上可获得的铁素体铬钢与铝和/或硅进行合金化。这些 合金元素在SOFC的工作温度下形成Al₂O₃和/或SiO₂。这些氧化物均 为电绝缘氧化物，这将会增加电池的电阻并且降低燃料电池效率。这 导致具有低Al和Si含量的铁素体钢的研制，以确保形成的氧化物皮的 良好的导电性。这些新研制的钢通常还与锰合金化。在钢中添加锰将 会诱发在形成的氧化物皮中形成铬氧化物基的尖晶石结构。然而，锰 通常具有对钢的耐蚀性的不良影响，因此希望钢中锰含量被仔细监控 在低水平下。钢中锰的太高的浓度将会由于严重的高温腐蚀而导致厚 氧化物皮的生长。

除了与锰合金化之外，这些新研制出来的钢的若干种与第III族元 素，即Sc、La和Y和/或其它稀土元素(REM)合金化。添加La、Y或 者REM来增加材料在高温下的寿命。强氧化物形成元素(如La、Y和 REM)降低氧离子在形成的Cr₂O₃氧化皮中的迁移率，这将导致氧化物 皮的生长速率降低。

专利申请US2003/0059335中描述了一种用于SOFC中的铬钢的一 个实例，其中该钢包含12-28％的Cr、0.01-0.4％的La、0.2-1.0％的Mn、 0.05-0.4％的Ti、小于0.2％的Si和小于0.2％的Al。

EP1600520A1公开了用于SOFC中的铬钢的另一个实例，该钢包 含20-25％的铬、至多0.5％的Mn、Zr+Hf量为0.001-0.1％、至多0.4％ 的Si和至多0.4％的Al。

另外，在专利申请EP1298228A2中，描述了用于SOFC中的钢。 该钢包含15-30％的Cr，不超过1.0％的Mn，至多1％的Si，以及至多 0.5％的Y、至多0.2％的REM和至多1％的Zr中的至少一种。

在US6294131B1中描述了用于SOFC中的铁素体钢的又一个实 例。该钢包含18-28.5％的Cr、0.005-0.10％的Mn、至多0.1％的Si和 0.005-0.50％的REM。