專利名稱：燃料電池互連件用的合金的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于燃料電池中互連件的合金，尤其是涉及增強互連件的可制造性的合金。
背景技術：
燃料電池通過在陽極和陰極分別將燃料和氧化劑催化成電離的原子氫和氧而產生電。在陽極，在電離過程中從氫移走的自由電子被傳導到陰極，在陰極它們電離氧。在固體氧化物燃料電池的情況下，氧離子通過電解質被傳導，在電解質中，氧離子和電離的氫結合形成作為廢物的水，并完成這個過程。然而，電解質對燃料和氧化劑都不具有滲透性，而僅僅傳導氧離子。這一系列電化學反應是在燃料電池中產生電能的唯一方法。因此，希望的是減少或消除導致不同結合，例如不產生電能并因此降低燃料電池效率的燃燒反應物的的任何混合。
燃料電池典型地是在燃料電池堆中以電串聯的方式組裝在一起來產生處于有用電壓的能量。為制造燃料電池堆，用互連元件來將相鄰的燃料電池電串聯起來。當燃料電池在高溫例如在約600℃和1000℃之間運行時，燃料電池承受了機械負荷和熱負荷，這些負荷可以產生應變和在燃料電池堆中造成應力。在燃料電池裝置中，典型的是彼此緊密接觸的各種元件由不同的構建材料組成，例如金屬和陶瓷。在燃料電池裝置的熱循環過程中，由于構建材料的熱膨脹系數(CTE)的差異，元件以不同的方式膨脹和/或收縮。另外，單個元件可能由于其它現象，例如一種或多種元素的化學狀態的變化經受膨脹或收縮。
典型的是，燃料電池中的互連件是金屬的，并包括含有鎢或鉬的鐵素體合金，來降低金屬互連件和陶瓷電極之間的CTE差。然而，在合金中鎢的高百分比降低了互連件的可制造性。即，在鎢的含量處于某些級別時，在部件的加工過程，尤其是在材料的厚度減小期間，已經發現可能產生缺陷甚至裂縫。
因此，需要設計在燃料電池裝置中的互連件，其適合于包括溫度循環和化學狀態變化的運行狀態的變化，并還容易制造。
發明內容
簡而言之，根據一個實施方案，提供了用于燃料電池互連件的合金。該合金包括至少大約60重量％的鐵、大約15到大約30重量％的鉻以及大約3到4.5重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
在另一個實施方案中，用于燃料電池互連件的另一種合金包括至少大約75重量％的鐵、大約20重量％的鉻以及大約4重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
在還有的另外一個實施方案中，燃料電池裝置包括至少一個燃料電池，該燃料電池包括陽極、陰極和設置在兩者之間的電解質。該燃料電池裝置還包括與陽極和陰極的至少一個緊密接觸的互連件結構。該互連件結構由合金制成。該合金包括至少大約60重量％的鐵、大約15到大約30重量％的鉻以及大約3到4.5重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
參考附圖，閱讀下述詳細描述的說明書，本發明的這些和其它特點、方面和優點將變得更好理解，其中在附圖中，相同的符號表示相同的部件，其中 圖1是說明一個重復單元的示例性的燃料電池裝置的透視圖，并包括根據本發明的實施方案由合金制成的互連件；和 圖2示出的是圖示具有改進的互連件的燃料電池的運行的示例燃料電池裝置的放大部分。
具體實施例方式燃料電池已經展示了高效率和低污染發電的潛力。燃料電池，例如固體氧化物燃料電池(SOFC)，是一個通過離子導電層，通過將燃料和氧化物電化學結合起來從而產生電的能量轉化裝置。如圖1所示，一個典型的平面燃料電池10包括互連件部分12、一對電極，由電解質18隔開的陰極14和陽極16。
互連件部分12規定了多個與陰極14緊密接觸的氣流槽24和多個與相鄰電池重復單元20的陽極16緊密接觸的燃料流槽26，反之亦然。在運行中，將燃料流28供應給燃料流槽26，以及將空氣流30，典型的是熱空氣供應給氣流槽24。
圖2示出了說明燃料電池的運行的燃料電池的一部分。如圖2所示，燃料流28，例如天然氣供應給陽極16，進行氧化反應。在陽極的燃料和通過電解質輸送到陽極的氧離子(O2-)發生反應。除去氧離子(O2-)的離子以將電子釋放到外部電路34。空氣流30供應給陰極14，并接受來自外部電路34的電子，進行還原反應。電解質18在陽極16和陰極14之間傳導離子。電子流產生直流電，該過程產生某些廢氣和熱量。
在圖1所示的典型實施方案中，燃料電池裝置10包括多個具有平面結構的重復單元20，雖然可以以單一的結構來提供多個這樣的電池，其中該結構可以作為電池堆或電池的集合體或能產生總輸出的裝置。
陽極層16的主要用途是為注入燃料電池中的燃料的電化學氧化提供反應場所。另外，陽極材料在燃料還原環境下應該是穩定的，在燃料電池運行條件下具有足夠的用于燃料氣體反應的電子導電性、表面積和催化活性，以及具有足夠的孔隙率以允許氣體傳輸到反應場所。陽極層16可以由許多具有這些性能，包括但不局限于貴金屬、過渡金屬、金屬陶瓷、陶瓷和其組合的材料制成。尤其是，陽極層16可以由選自Ni、Ni合金、Ag、Cu、鈷、釕、Ni-YSZ金屬陶瓷、Cu-YSZ金屬陶瓷、Ni-鈰土金屬陶瓷或其組合的任何材料制成。
典型的是，電解質18通過帶鑄造或帶軋光設置在陽極層16的上面。電解質層的主要用途是在陽極層16和陰極層14之間傳導離子。電解質將在一個電極產生的離子運載到另一個電極以平衡來自電子流的電荷，并完成燃料電池中的電路。另外，該電解質將燃料電池中的燃料和氧化劑分開。所以，該電解質在還原和氧化的環境下都必須是穩定的，不能滲透反應氣體并且在運行條件下充分導電。典型的，該電解質18基本上是電絕緣的。該電解質18可以由許多具有這些特點，包括但不局限于，ZrO2、YSZ、摻雜的鈰土、CeO2、三氧化二鉍、燒綠石氧化物、摻雜的鋯酸鹽、鈣鈦礦氧化物材料或其組合的材料制成。
陰極層14設置在電解質18上。陰極層14的主要用途是為氧化劑的電化學還原提供反應場所。所以，陰極層14在氧化環境中必須是穩定的，在燃料電池運行條件下對于氧化劑氣體反應具有足夠的電子和離子導電性、表面積和催化活性，以及具有足夠的孔隙率以允許氣體傳輸到反應場所。陰極層14可以由許多具有這些性能，包括但不局限于導電氧化物、鈣鈦礦、摻雜的LaMnO3、錫摻雜的氧化銦(In2O3)、鍶摻雜的PrMnO3、La鐵素體、La輝鈷礦、RuO2-YSZ和其組合的材料制成。
在平面燃料電池裝置中，典型的互連件的一些功能是在串聯連接或并聯連接的燃料電池之間提供電接觸和提供燃料和氧化劑流動通道以及提供支撐結構。典型的是，陶瓷、金屬陶瓷和金屬合金用作互連件。由于它們的高導電性和高導熱性，易于制造和低成本，在用作互連材料時，金屬材料具有某些優點。在許多實施方案中，燃料電池裝置可以包括具有平面結構、管狀結構或其組合的燃料電池。實際上，由本發明技術提供的合金可以為很多物理燃料電池結構提供益處，并有利于在這些結構中使用的各種設計的互連件的形成。
在燃料電池環境中，金屬材料的不穩定性限制了可以用作互連件的金屬的數量。典型的，耐高溫氧化的合金在表面形成保護性氧化物層，該氧化物層降低了氧化反應的速率。在其使用期限內，燃料電池，例如固體氧化物燃料電池的溫度可以在斷路狀態下的室溫和高達1000℃的運行溫度之間循環數次。在燃料電池裝置的熱循環期間，包括但不局限于陽極、陰極、互連件的燃料電池裝置中的元件按照各種材料的熱CTE經受熱膨脹和收縮。當在燃料電池裝置的元件中存在CTE差異時，其中所述元件彼此緊密接觸，燃料電池裝置處于機械應力下。在燃料電池中出現的該機械應力接下來可以破壞燃料電池的結構整體性。
因此，用來制造互連件的金屬合金應該呈現出許多特性。在選擇用于互連件的合金時，必須考慮包括但不局限于耐氧化、CTE、面積比電阻(areaspecific resistance)以及可制造性的性能。
在這兒公開的用于互連件的合金含有至少大約60重量％的鐵、大約15到大約30重量％的鉻以及大約3到4.5重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
在一個實施方案中，合金的鉻含量在大約15重量％到大約25重量％的范圍內。在另一個實施方案中，合金的鉻含量為大約20重量％。典型的，耐氧化的鋼包括作為主要合金元素的鉻。在高溫、含氧的環境下，鉻優選氧化，形成保護性表面層，該層典型的是由氧化鉻(Cr2O3)組成。在高溫下，這一層也呈現出電子導電性。
在合金的更特別的實施方案中，在這兒公開的鎢含量是在大約3.5重量％到大約4.5重量％的范圍內。在一個實施例中，合金的鎢含量是大約4重量％。在鐵素體鋼合金(鐵基合金)中，鎢用作主要的加強元素。然而，在制造互連片時，百分比更高的鎢使合金更難加工。為改善合金的CTE，從而與燃料電池中的陶瓷成分的CTE緊密匹配，也需要鎢。在以高含量存在時，鎢會使合金變硬。所以，本發明人認為，鎢的高百分比改善了CTE，但是也產生了加工缺陷，例如在加工合金形成燃料電池互連件的過程中的裂縫。典型的是，這些裂縫在將合金加工成互連片時的軋制操作過程中形成。可以相信，在合金中，大約3到大約4.5重量％的鎢的含量是最佳級別，其中沒有互連合金的所需的性能受到損害。在這兒所述的合金組成中，鎢的百分比使得合金的CTE得到改善，而沒有影響合金的可制造性或加工容易度。
在一些實施方案中，該合金包括在大約0.01重量％到大約10重量％的范圍內、選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。在一些其它的實施方案中，該合金包括在大約0.01重量％到大約1.0重量％的范圍內、選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。在一個實施方案中，該合金包括大約0.1重量％的鑭和大約0.1重量％的釔。在一些其它的實施方案中，該合金包括在大約1重量％到大約10重量％的范圍內、選自錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
鋁提高了合金的耐氧化性。然而，在合金中，高百分比的鋁降低了合金的強度。釔和鑭提高了合金的強度，也提高了耐氧化性。為改善合金的CTE以與非金屬成分，如陽極、陰極和電解質的CTE相匹配，金屬，例如錳、鉬、鋯、鎳、釩、鉭和鈦也可以加入合金中。
在另一個實施方案中，用于互連件的合金包括至少大約75重量％的鐵、大約20重量％的鉻以及大約4重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
在一些其它實施方案中，用于互連件的合金包括至少大約75重量％的鐵、大約20重量％的鉻以及大約4重量％的鎢。該合金還包括大約0.1重量％的鑭和大約0.1重量％的釔。
在另一個實施方案中，用于互連件的合金包括至少大約75重量％的鐵、大約20重量％的鉻以及大約4重量％的鎢。該合金還包括大約0.5重量％的鑭和大約0.5重量％的釔。
在前述部分描述的所有合金組合物可以用于不同類型的燃料電池，其包括但不局限于固體氧化物燃料電池、質子交換膜或固體聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生燃料電池、鋅空氣燃料電池或質子陶瓷燃料電池。
如圖1和2所示，固體氧化物燃料電池裝置10的互連件部分12可以用前述部分描述的合金組合物來制造。在這兒公開的用于燃料電池互連件的合金組合物在下述的非限制性實施例中作進一步說明。
實施例 制備包含鐵、20％鉻、4％鎢、0.5％鑭和0.5％釔的鐵素體合金組合物。所有的百分比都是重量百分比。澆鑄由合金組合物制成的錠，在升溫狀態下，將其機械變形成矩形棒。然后將該棒料熱軋成具有0.150英寸厚度的板。在澆鑄和熱加工過程中，材料沒有出現裂縫。熱軋后測量平均維氏硬度為200.2HV，標準偏差為3.5HV。然后冷軋操作，重復減小材料厚度。雖然試圖每次減小25％厚度，但是測得的厚度減小處于13％和32％之間。七次冷軋操作，每次的厚度平均減小量為24％。在薄片加工過程中，在軋制過的薄片上沒有檢測到裂縫。每個軋制步驟后，在500克負荷、13秒停留時間下，以維氏單位測量硬度。該硬度在200到335HV內變化。在取自同一塊錠中的樣品上進行壓縮負荷試驗。測得4個樣品的屈服應力為45.8ksi。
雖然在這兒只圖示和描述了本發明的某些特征，但對本領域技術人員來說可以進行許多改進和變化。因此，容易理解，附加的權利要求傾向于覆蓋落入本發明的真實精神范圍內的改進和變化。
部件清單10 燃料電池裝置12 互連件14 陰極16 陽極18 電解質20 重復單元2224 氣流槽26 燃料流槽28 燃料流30 空氣流32 燃料電池的放大部分34 外部電路
權利要求
1.用于燃料電池的互連件的合金，包括至少大約60重量％的鐵；大約15到大約30重量％的鉻；大約3到4.5重量％的鎢；以及選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
2.權利要求1的合金，其中合金的鎢含量在大約3.5重量％到大約4.5重量％的范圍內。
3.權利要求2的合金，其中合金的鎢含量為大約4重量％。
4.權利要求1的合金，其中合金的鉻含量在大約15重量％到大約25重量％的范圍內。
5.權利要求1的合金，其中合金的鉻含量為大約20重量％。
6.權利要求1的合金，其中合金的所述至少一種元素的含量在大約0.01重量％到大約10重量％的范圍內。
7.權利要求1的合金，其中合金的所述至少一種元素含量在大約0.01重量％到大約1.0重量％的范圍內。
8.權利要求1的合金，其中合金的所述至少一種元素含量為大約0.1重量％。
9.權利要求1的合金，包括鑭和釔。
10.權利要求9的合金，其中合金的鑭的含量為大約0.1重量％，以及合金的釔的含量為大約0.1重量％。
11.權利要求1的合金，其中燃料電池選自固體氧化物燃料電池、質子交換膜或固體聚合物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生燃料電池、鋅空氣燃料電池和質子陶瓷燃料電池。
12.固體氧化物燃料電池的互連件用合金，包括至少大約75重量％的鐵；大約20重量％的鉻；大約4重量％的鎢；以及選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
13.燃料電池裝置，包括至少一個包括陽極、陰極和設置在兩者之間的電解質的燃料電池；以及與陽極和陰極的至少一個緊密接觸的互連件結構，該互連件結構由合金制成，該合金包括至少大約60重量％的鐵；大約15到大約30重量％的鉻；大約3到大約4.5重量％的鎢；以及選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
14.權利要求13的燃料電池裝置，其中該燃料電池是固體氧化物燃料電池。
全文摘要
本發明涉及一種用于燃料電池(10)互連件(12)的合金。該合金包括至少大約60重量％的鐵、大約15到大約30重量％的鉻以及大約3到4.5重量％的鎢。該合金還包括選自鋁、釔、鋯、鑭、錳、鉬、鎳、釩、鉭和鈦中的至少一種元素。
文檔編號H01B1/02GK1948539SQ200610128559
公開日2007年4月18日 申請日期2006年8月11日 優先權日2005年10月13日
發明者D·J·路易斯, M·R·杰克遜, C·U·哈德維克, A·M·湯普遜, S·K·拉馬塞沙, N·S·哈里, A·D·欽丘爾, K·維德亞, A·維爾馬 申請人:通用電氣公司