[发明专利]铁素体合金组合物

说明书

关于联邦政府资助研究的声明

依据美国能源部与UT-Battelle，LLC之间的合同DE-AC05-00OR22725，美国政府在本发明中享有权利。

技术领域

本发明涉及铁素体合金组合物，特别地，涉及用于固体氧化物燃料电池元件的合金。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种从燃料直接产生电能的电化学转换装置。这些燃料电池的特征在于其电解质材料，顾名思义，SOFC含有固体氧化物，或陶瓷，电解质。

陶瓷燃料电池比基于聚合物的燃料电池操作温度更高。固体氧化物燃料电池通常包含互连器，该互连器用作电流收集器并电连接单个电池。在固体氧化物燃料电池中用金属互连器替代易碎的陶瓷(如：LaCrO3)可大大提高其机械耐久性和降低电池的单位成本。

然而，SOFC的高温环境可导致金属的退化(degradation)。进一步地，在电池的制造期间或者使用时的热循环期间，金属互连器和燃料电池元件(如阳极、阴极和电解质)的热膨胀系数(CTE)的不匹配会导致这些功能层的机械损伤。在一些设计中，可避免将金属暴露在氧化性废气中从而通过暴露在还原性(燃料-面)气体环境使退化最小化。然而，金属可能需要一定程度的抗氧化性以烧结陶瓷功能层。在大多数设计中，CTE的不匹配是关键问题。

发明概述

本发明的目的是提供铁素体合金组合物，该铁素体合金组合物具有较低的热膨胀系数(CTE)失配和改善的抗氧化性能。本发明解决了这些和其它的目的，在一方面，本发明提供了含有约16-20重量％铬(Cr)、约7-11重量％钼(Mo)和余量铁(Fe)的铁素体合金组合物。本发明的这种铁素体合金组合物具有降低的热膨胀系数失配。

在另一方面，本发明提供了铁素体合金组合物，该铁素体合金组合物含有约10-14重量％Cr、约7-11重量％Mo或者约10-20重量％(钨)W和余量的Fe。本发明这种的铁素体合金组合物具有改善的抗氧化性。

本发明一方面的铁素体合金组合物的优点包括与氧化钇稳定的氧化锆相当的热膨胀系数。因此，该热引起的应变不会引起足以使SOFC产生裂缝的应力。本发明的另一方面，铁素体合金组合物形成了稳定、粘着的氧化铬薄层，该氧化铬层保护下层金属不会进一步氧化退化。

为更好的理解本发明以及其他和进一步的优点，可以参考以下的详细说明，本发明的范围在权利要求中指出。

附图说明

图1：各种模铸合金与市售的锻造SS410和烧结的Fe-13重量％Cr-15重量％Y(410Y)和氧化钇稳定氧化锆(YSZ)的平均热膨胀系数(CTE)随温度的函数图。该数据收集自第二次加热到1300℃过程的样品。虚线显示了约700℃的预期操作温度。

图2：各种Fe-Cr合金在900℃和干燥的氧气流中等温暴露10-100h后的样品增重。

图3：Fe-12重量％Cr+0.2La(F3CL)的抛光部位在900℃和干燥的氧气流中暴露10h后的光学显微镜图。

图4：Fe-12重量％Cr-9Mo+0.2La(F3C5ML)的抛光部位在900℃和干燥的氧气流中暴露24h后的光学显微镜图。

图5a：Fe-12重量％Cr-9Mo+0.2La(F3C5ML)的抛光部位在900℃和干燥的氧气流中暴露24h后的光学显微镜图。

图5b：Fe-11重量％Cr-15W+0.07La(F3C5WL)的抛光部位在900℃和干燥的氧气流中暴露24h后的光学显微镜图。

具体实施方式

在本说明书中，参数通过最大和最小量定义。每个最小量可与每个最大量结合来限定范围。

在一方面，本发明基于发明人这样的发现：加入大量的Mo可以减少热膨胀系数失配或者改善Fe-Cr合金组合物的抗氧化性能。另一方面，本发明基于发明人这样的发现：加入大量的W可改进Fe-Cr合金组合物的抗氧化性能。

因此，本发明涉及铁素体合金组合物，包含：

(i)约16-20重量％的Cr、约7-11重量％的Mo、和余量的Fe；或

(ii)约10-14重量％的Cr、约7-11重量％的Mo或约10-20重量％的W、和余量的Fe。