[发明专利]燃料电池互连体和制备燃料电池互连体的方法

说明书

交叉引用

本申请要求2012年9月17日提交的题为“FUEL CELL INTERCONNECTOR AND METHOD FOR MAKING A FUEL CELL INTERCONNECTOR”的美国临时申请号61/701,956和2012年7月9日提交的题为“FUEL CELL INTERCONNECTOR AND METHOD FOR MAKING A FUEL CELL INTERCONNECTOR”的美国临时申请号61/669,537的优先权，两者的全部内容经此引用并入本文。

技术领域

1.发明领域

本发明整体上涉及用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的互连体，以及使用压制粉末冶金法制造SOFC互连体的方法。此外和/或作为替代，本发明涉及多孔铬合金例如用于SOFC的互连体的受控氧化。

2.相关领域描述

SOFC通过使燃料氧化直接产生电能。在典型的平面几何形状SOFC中，电解质层(固体氧化物或陶瓷)夹在两个电极(阴极层和阳极层)之间。燃料流过阳极层外部(氧化侧)以便向阳极提供H₂。空气流过阴极层外部(还原侧)以便向阴极层提供O₂。该H₂和来自O₂的O^-反应产生H₂O，其在阳极的燃料侧排出。该反应使得电子从阳极流向阴极，这提供电。

通常堆叠单个SOFC使得串联组合它们的电输出。互连体(也称为互连板或分隔板)分隔相邻的SOFC。结果，互连体的相对侧暴露于一个SOFC的燃料侧/氧化侧和相邻SOFC的空气侧/还原侧。通常将该互 连体设计为对于气相空气与燃料基本不可渗透从而使不受控制的燃烧和SOFC堆叠体的灾难性失效最小化。提高温度的氧化工艺步骤通常在PM制造过程中使用，由此在内部孔隙壁上促进氧化物层的生长，使得内部孔隙通道变得被所形成的氧化物膜堵塞，并且因此该氧化工艺相对于未氧化条件提供所需的渗透率降低。

端板设置在SOFC堆叠体的端部，并充当单侧互连体。为了便于引用，在本文中将端板定义为互连体。

SOFC通常的操作温度为600℃至1000℃。

美国专利号7,390,456、8,173,063和6,316,136以及美国专利申请公开号2011/0135531描述了各种互连体以及制造互连体的方法。

粉末冶金(PM)制造方法由于PM的可用净形状成型能力已经用于制造互连体。但是，制得的部件可含有残留的内部孔隙，这造成了与制造方法和最终部件功能相关的问题。

本发明的实施方案的概述

氮化铬(CrN)在互连体中的存在往往是不需要的，原因有二。首先，氮化物的形成可导致互连体的尺度变化。过量氮化物形成可导致互连体翘曲超出可允许的产品尺度公差，并因此可降低制造产率。其次，即使较低含量的氮化物可能不会对制得的尺度产生显著影响，甚至更低含量的氮化物对SOFC功能也可为不需要的。在正常的SOFC操作中，该互连体暴露于提高的温度和空气持续延长的时间段。在此类环境下，原本存在于互连体材料中的氮化物可生长并在SOFC操作过程中向该互连体中原位引入尺度变化。这种尺度变化可削弱SOFC堆叠体中的接触均匀性，并因此导致随SOFC操作时间的推移电效率的加速劣化。

本发明的一个或多个实施方案提供了减少部件中氮化物形成的多孔铬部件(例如PM部件，如互连体)的氧化方法。

本发明的一个或多个实施方案提供氧化包含至少20重量％铬的多孔部件的方法。该方法包括：在炉中氧化该部件以便将该部件暴露 在氧化温度范围持续预定的时间段；并在所述氧化过程中，将受控气氛供给到该炉中。该受控气氛包含至少30体积％的氮、至少10体积％的氧和至少10体积％的水蒸气。该氧化将该多孔部件的氮含量提高小于0.1重量％。

根据这些实施方案中的一个或多个，在所述氧化后，该部件包含少于0.3、0.2、0.15和/或0.10重量％的氮。

根据这些实施方案中的一个或多个，该受控气氛包含至少50体积％的环境空气。

根据这些实施方案中的一个或多个，该受控气氛包含至少20体积％的水蒸气。

根据这些实施方案中的一个或多个，该受控气氛包含10至30体积％的水蒸气。

根据这些实施方案中的一个或多个，该方法还包括将水蒸气添加到环境空气以产生该受控气氛。

根据这些实施方案中的一个或多个，该氧化温度范围为高于750℃，该预定时间段为至少5小时。