專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池連接結(jié)構(gòu)及相關(guān)裝置和方法
燃料電池連接結(jié)構(gòu)及相關(guān)裝置和方法
駄領(lǐng)域
0001本發(fā)明涉及燃料電池。更具體的，本發(fā)明涉及固體氧化^^燃料電
池用連接結(jié)構(gòu)和材料。
背景技術(shù)：
0002固體氧化物燃料電池(SOFCs)是有前景的高效、低排放的用燃 料發(fā)電的裝置。和大多數(shù)燃料電池一樣，SOFC裝置ffiil氫氣和氧氣的電化學(xué)化 合產(chǎn)生電能。在典型的SOFC中，陽(yáng)極層和陰極層被由陶瓷固體氧化物形成的 電解質(zhì)分隔。氫氣，純氫氣或由烴重整得到的，沿陽(yáng)極外表面流動(dòng)，擴(kuò)散至陽(yáng) 極中。氧氣，通常從空氣得到，沿陰l矽卜表面流動(dòng)，擴(kuò)賠陰極中。每個(gè)02分 子被陰極裂解還原(催化)為兩個(gè)0'2陰離子。氧陰離子運(yùn)輸穿過(guò)電解質(zhì)并在陽(yáng) ^/電解質(zhì)界面與四個(gè)氫離子結(jié)合，形成兩個(gè)7k分子。陽(yáng)極和陰極在外部通過(guò)負(fù) 載連接，構(gòu)成完整的回路，進(jìn)而四個(gè)電子被從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極。
0003如圖1所示，示范性平板式SOFC20包括陰f雄接22，和一對(duì) 電極-陰極26和陽(yáng)極24。陰極和陽(yáng)極被陶瓷電解質(zhì)28分隔。 一般而言，這種電 池裝置在本領(lǐng)域中是公知的，雖然圖中描述的結(jié)構(gòu)可能被改變，例如，陽(yáng)極層 在電解質(zhì)之上，和陰極層在電解質(zhì)之下。
0004經(jīng)濟(jì)型固體氧化物jt料電池結(jié)構(gòu)通常包括許多堆疊在一起的電 池(有時(shí)數(shù)百個(gè)電池)，這些電池一起提供足夠的電壓，使該裝置經(jīng)濟(jì)上可行。 如上面提到，電池一M,接件連接在一起。連接件通常以金屬或陶瓷層的 形式，提供電接觸、電流分配和*電池間的結(jié)構(gòu)整體性。在典型的陰極-電解 質(zhì)-陽(yáng)極堆裝置中(為便于討論起見(jiàn)從垂直方向看)，為與相鄰電池或"模塊"連 接， 一連接層與陰極的上表面相接。為與另一相鄰電池或"模塊"連接，另一 連接層與陽(yáng)極的下表耐睇。
0005基于成本和容易制造的考慮，金屬連接件常用于燃料電池中。如
同在任何類(lèi)型的連接中(如，陶瓷)，金屬合趙且成在燃料電MiI行斜牛下必須提供足夠的密封和電導(dǎo)水平。另外，合金材料必須能夠承受在高溫和驢循環(huán) ^f牛下運(yùn)行的影響。
0006在許多情況下，陰極連銜特,極連樹(shù)牛是由鐵素體不,形成 的。鐵素體不銹鋼是本領(lǐng)域中公知的，通?；阼F、鉻和所選擇的其它各種元 素。鐵素體鋼因?yàn)槎喾N原因而可以j頓。例如，材料為體心立方(BCC)相形 式的。這種鄉(xiāng)的材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)與燃料電池中電解質(zhì)的CTE緊密 匹配。SOFC中各種層的膨l^爭(zhēng)性的匹配在高溫?zé)嵝阅芎徒Y(jié)構(gòu)整體性方麗艮關(guān) 鍵。
0007鐵素iW銹鋼作為連接件材料當(dāng)然非常有用。含鉻合金容易形成 和成型，并且比大多數(shù)陶瓷連接件成本低。但是，鐵素軒W1也有一些缺陷。 例如，這些材料容易熱引發(fā)形成氧化物，即，合金元件表面上快速形成鉻氧化 物(氧化鉻)。多數(shù)瞎況下，部件表面的薄而致密的氧化鉻層可能有益于保護(hù)金 屬表面，同時(shí)也顯示出相對(duì)高的電導(dǎo)。但是，快速生長(zhǎng)的厚氧化鉻層會(huì)通過(guò)短
時(shí)間內(nèi)增加電池的整體電阻而^M料電池性能退化。結(jié)果，燃料電池的有用壽
命被相當(dāng)程度地縮短。
0008基于找考慮，本領(lǐng)聯(lián)望固體氧化物燃料電池和燃料電池部件 的新制造方法。該方法應(yīng)在合理的操作時(shí)間內(nèi)提供最佳的穩(wěn)定的電化學(xué)性能和 燃料效率，如由燃料電池極化電阻(ASR)所測(cè)量的。另外，燃料電池應(yīng)顯示 出良好的物理整體性和耐久性。

發(fā)明內(nèi)容
0009本發(fā)明通過(guò)提供一種方法，fflil在至少一個(gè)由包括鐵素^^IM 的材料形成的燃料電池連接件結(jié)構(gòu)表面上形成擴(kuò)散阻隔層，滿(mǎn)足了這些禾唭他 需要。該方^括以下步驟
(a) 為連接件的表面施用奧氏體相穩(wěn)定劑的涂層；禾口
(b) 加熱涂覆的表面，使奧氏體相穩(wěn)定劑擴(kuò)散到表面內(nèi)，以便連接結(jié)構(gòu)的 表面區(qū)域從基本上鐵素體體心立方(BCC)相轉(zhuǎn)化為基本上奧氏體面心立方 (FCC)相。
0010本發(fā)明另一實(shí)施方式中，公開(kāi)了固體氧化物燃料電池。^!料電池包括
(iii) 置于陰極和陽(yáng)極之間的陶瓷電解質(zhì)；
(iv) 陰極連接件，其與陰極上表面連接，具有連接表面，該表面面對(duì)和至
少部分接觸陰極的表面；禾口
(v) 陽(yáng)極連接件，其與陽(yáng)極下表面連接，具有連接表面，該表面面對(duì)和至 少部分接觸陽(yáng)極的表面；
其中陰極連接表面或陽(yáng)極連接連接表面中的至少一個(gè)包括以基本上奧氏體 面心立方(FCC)相為特征的表面區(qū)域。
0011本發(fā)明的另一實(shí)施方式針對(duì)一種固體氧化物燃料電池堆。該電池 堆由多個(gè)互相連接的燃料電池形成。燃料電池中至少一個(gè)包括由鐵素體不銹鋼 形成并且具有面對(duì)燃料電池陰極表面的陰極連接表面的陰極連接件。陰極連接 表面包括以基本上奧氏體面心立方(FCC)相為特征的表面區(qū)域。


0012圖1為固體氧化物'燃料電池的示意圖。
0013圖2為燃料電池連樹(shù)牛一部分的截面示意圖。
0014圖3為已施用奧氏體相穩(wěn)定材料的圖2中燃料電池連接件的圖示。
0015圖4為經(jīng)過(guò)前述熱處理的圖3中燃料電 tt樹(shù)牛的圖示。 發(fā)明詳述
0016應(yīng)該注意，在下述描述中，相同的附圖標(biāo)記在圖中所示的幾幅圖 中表示相同或相應(yīng)的部分。還應(yīng)理解用語(yǔ)如"頂"、"底"、"向外"、"向內(nèi)"、"第 一"，"第二"等是為方便用詞，而不應(yīng)被認(rèn)為限定用語(yǔ)。另外，用于本公開(kāi)內(nèi) 容中，"一種"("a"和"an")不標(biāo)為數(shù)量限定，而表示至少一個(gè)所艦象。 后綴"s"用于此處是同時(shí)為包括單數(shù)和復(fù)數(shù)個(gè)所修飾對(duì)象，因ltb^—個(gè)或多 個(gè)該對(duì)象(如詞"表面"又是包括一個(gè)或多，面)。
0017在前面所提及的圖l，描述了按照本發(fā)明某些實(shí)施方式的SOFC的典型結(jié)構(gòu)。陰極連樹(shù)牛22置于陰極26之上并與之連接。連接件內(nèi)表面23由 燃料流道25的圖案形成，并且包括溝槽壁的兩壁，以 : 觸陰極26的"分 界壁"的表面27。
0018如前面提及的，陰豐，銜牛22的合金組成形成自鐵素^M 合金(有時(shí)在本文中稱(chēng)為"鐵素體鋼")。這樣的合金在本領(lǐng)域中是公知的。其 中許多用于電化學(xué)電池中，其包括約60至85重ST。的鐵和約15至30重量％的
鉻。合金常含有碳(如最高達(dá)到約o.i重ar。)和/或鎂(如最高達(dá)到約i重ir。)。 也可以含有各種其他金屬，如憶和鑭，通常以(總量)不超過(guò)約1重*%的含 量存在。但是，應(yīng)注意的是本發(fā)明可用于大范圍的鐵-船金，該合金可以標(biāo) 為"鐵素^^銹鋼"。
0019如前面提及的，連^j牛表面，即內(nèi)表面23和表面27，被施用奧 氏體相穩(wěn)定齊勝層。奧氏體相穩(wěn)定劑包括選自鎳、鈷、氮、碳和鎂組成的至少 一種金屬。在某些具體實(shí)施方式
中，奧氏體相穩(wěn)定劑包括鎂、鈷或鎂鈷的組合。 但是，在許多實(shí)施方式中 鎳，而另一些中則伏選鈷是穩(wěn)定劑。奧氏體相穩(wěn) 定劑通常必須以金屬的形式沉積。然而，在一些情況下，穩(wěn)定劑可以氧化物的 形式沉積，如果隨后被還原為金屬形式，如通過(guò)在還原氣氛如氫氣爐中的熱處 理。
0020可采用多種沉積方法在連樹(shù)牛表面施用奧氏體相穩(wěn)定劑。非限制 性實(shí)施例包括電鍍、化學(xué)鍍、真空等離子噴涂、低壓等離子噴涂、真空電弧噴 涂、物理蒸汽沉積、電子束物理蒸汽沉積、濺lt凃膜和化學(xué)蒸汽沉積。在一些 實(shí)施方式中，電鍍?yōu)閮?yōu)選的沉積方法，而另一些實(shí)施方式中，則選擇化學(xué)鍍。 本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉這些方法，可根微寺定沉積傲，其進(jìn)行改進(jìn)。奧氏， 層材料(即奧氏體形麟層)應(yīng)用到連接件表面的用量部分根據(jù)奧氏體表面層 或區(qū)域的設(shè)計(jì)厚度分確定，如后面所述。通常，奧氏體形^^層的厚度與基底 厚度無(wú)關(guān)。涂層的厚度卻是適于在燃料電池操作壽命中減少或阻礙擴(kuò)散，如這 里所述。
0021奧氏體相穩(wěn)定劑施用至連銜牛(陰極連接件，陽(yáng)豐雄接件或兩者) 表面上后，進(jìn)行熱處理以使材料擴(kuò)散到表面中。特定的加熱條件取決于多種參
數(shù)，如所采用的特定奧氏體相穩(wěn)定劑金屬、穩(wěn)定劑金屬沉積的方式、下面鐵
素體鋼材料的具體組成、其微結(jié)構(gòu)特征、以及奧氏體表面區(qū)域期望厚度。各種制造參數(shù)也可以是重要的，如，在典型帝隨設(shè)備中在連接件結(jié)構(gòu)上形成期望的 表面區(qū)域需要的時(shí)間。
0022通常，連^[牛表面區(qū)域被加熱至相當(dāng)于鐵素^W1材料熔點(diǎn)的 約40%的溫度。在一些具體實(shí)施方式
中，表面區(qū)域被加熱到約65%鐵素體鋼材 料熔點(diǎn)的溫度。作為非限制性說(shuō)明，在4頓鎂或鈷奧氏體元素的實(shí)施例中，擴(kuò) tfC皿在約60(TC至約110(TC范圍內(nèi)。在一些具體實(shí)施方式
中，擴(kuò)散MJt在約 80(TC至約IOO(TC范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解高于這些范圍的溫度可能使得 熱處理時(shí)間較短，而較長(zhǎng)時(shí)間的熱處理可能補(bǔ)償劍氐的擴(kuò)散溫度。在一些為商 業(yè)設(shè)置的^ii實(shí)施方式中，熱處理^S通常在約1小時(shí)到約24小時(shí)的范圍內(nèi)。 (在如下所述的原位熱處理的情況下，熱處理^1程總時(shí)間可能實(shí)際最高達(dá)到約 而小時(shí))。熱處理可能艦多種方法完成。通常在常規(guī)爐中進(jìn)行，l頓空氣或 氧氣氛?？商鎿Q地，也可選擇還原氣氛(如上所述)或隋性氣氛。
0023在發(fā)明的另一實(shí)施方式中，連樹(shù)牛表面的熱鵬可"原位"進(jìn)行， 即，當(dāng)燃料電池在操作中時(shí)。作為一例，奧氏體相穩(wěn)定材料可被施用至連樹(shù)牛，
然后連接件可被并入;lt料電池結(jié)構(gòu)中。如下所述當(dāng)燃料電池達(dá)到其初始操作溫
度(如約70(TC-90(TC)，連銜牛表面區(qū)域的通常開(kāi)始發(fā)生相變。另外，在一些 實(shí)施方式中，熱處理可以通過(guò)初始傳統(tǒng)加熱和隨后的原位加熱的組合進(jìn)行("加 熱涂層表面"在本文中使用時(shí)意為還描述部分或總體原位處理)。
0024同樣如前面提及的，熱處理將連接件表面區(qū):l^人基本上鐵素體體 心立方(BCC)相轉(zhuǎn)化為基本上奧氏體面心立方(FCC)相，有效地形成擴(kuò)散 阻隔層。表面區(qū)域的平均厚度取決于戰(zhàn)提及的多種因素。他們包括所采用 的特定奧氏體穩(wěn)定劑金屬；下面鐵素體鋼材料的具體組成。
0025
一般，表面區(qū) 足夠厚(即，其厚度)以作為阻隔層。阻隔層 阻礙鉻從連接件表面擴(kuò)散出去，從而降低底部金屬的氧化速率。但是，表面區(qū) 域應(yīng)足夠薄以確保連^j牛整體保持與燃料電池其他結(jié)構(gòu)部件，例如陶瓷電解質(zhì) 膜，相似或基本相等的CTE值。
0026在一些實(shí)施方式中，表面區(qū)域厚度在連^#厚度的約0.1%至約 10%范圍內(nèi)。參考圖1給出非限制性說(shuō)明。對(duì)于厚度("x")在約120微米到約 1500微米范圍內(nèi)的連接件，奧氏體表面區(qū)域通常厚度為約0.5微米到約10 范圍內(nèi)。基于本文的教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在給定情況下選擇表面區(qū)域最合適的厚度。此外，本領(lǐng)域中已知的各種成像技術(shù)可用于測(cè)量微觀(guān)相結(jié)構(gòu)變化的
表面區(qū)域的厚度。電子背i[M衍射(EBSD)分析即為其中一例。
0027如前所述，本公開(kāi)包括針對(duì)固體氧化物燃料電池(SOFC)的發(fā) 明實(shí)施例。參考圖l，示例性平板燃料電池包括陰極連換件22和一對(duì)被電解質(zhì) 28分隔的電極，即陰極26和陽(yáng)極24。 一般，這種電池布置方式是本領(lǐng)域公知 的。但是，圖中所示布置方式可以被改變，如，陽(yáng)極層在電解質(zhì)之上，陰極層 在電解質(zhì)之下。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解燃料電池可^7K平、豎直或任何方向運(yùn)行。 在一些膚況下，粘合層可介于連接件22和陰極26之間(此外，為便于觀(guān)察， 圖中各種層的厚度不一定按照比例；以懶軍圖顯^些圖)。
0028繼續(xù)參考圖l，連接件22限定了與陰極26接觸的多個(gè)空氣^t 道25。如前面提到的，奧氏#^層被施用到連樹(shù)牛的表面。連樹(shù)牛部分33 (與 下面的陰極35連接)限定了與陽(yáng)極24接觸的多個(gè)jt料^ffl道24。
0029在一些實(shí)施方式中，同樣期望在面對(duì)陽(yáng)極24的陽(yáng)極連樹(shù)牛表面 施用奧氏^^M。這樣，涂層可被施用在燃料流道34的壁45 (即槽)，以及被 施用該結(jié)構(gòu)的分隔壁表面47。接著，涂敷奧氏體的表面可如前所述而被加熱(用 于擴(kuò)散和相變)，這作為f^蟲(chóng)的步驟或者燃料電池其他熱處理的一部分。在陽(yáng)極 連接件上使用奧氏體材料，還提供了這里所提及的陰極連接件的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)。在 陽(yáng)ISS接件的情況中，奧氏體相穩(wěn)定齊腿常為鎳。
0030在燃料電、 作中，燃料流40被供給到燃料流道34?？諝饬?8， 一般為熱空氣，被供給到空氣流道25。如圖1所示燃料電池操作是本領(lǐng)域公知 的。作為非限定性例子，2006年11月30日T.Striker等提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) S.N.11/565， 236，描述了固體氧化物燃料電 腿行所涉及的一般原理。2007年 9月28日S.C.Quek等提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)S.N. 11/863,747;以及美國(guó)專(zhuān)利 6,949,307 (Cable等)和6^296,962 (Minh)也有啟示。這里列出的專(zhuān)利和專(zhuān)利 申請(qǐng)都通過(guò)參照并A^文。 一般，燃料如天然氣被輸入到陽(yáng)極，在此其進(jìn)《豫 化反應(yīng)。燃料在陽(yáng)極與通過(guò)電解質(zhì)輸往到陽(yáng)極的氧離子(02—)反應(yīng)。氧離子與 氫氣反應(yīng)，形成水，釋放電子至外電路中。作為燃料電池方案的一部分，空氣 被輸入到陰極。陰極從外電路獲得電子時(shí)，發(fā)生還原反應(yīng)。電解質(zhì)在陽(yáng)極和陰 極之間傳導(dǎo)離子。電子流產(chǎn)生直流電，該過(guò)程產(chǎn)生熱和 些廢氣和液體，如水 或二氧化碳。0031SOFC各種結(jié)構(gòu)層的組成是本領(lǐng)域公知的。陶瓷電解質(zhì)一般由可 傳導(dǎo)離子(如氧離子和氫離子)同時(shí)電子導(dǎo)電性低的材料形成。適宜的陶瓷材 料的例子包括，但不限于，各種形式的氧化鋯、二氧化鈰(ceria)、氧化鉿、氧 化鉍、鎵酸鑭、氧化釷和這些陶瓷的各種組合。在某些實(shí)施方式中，陶瓷電解 質(zhì)包括選自由氧化釔-穩(wěn)定氧化鋯、稀土氧化物穩(wěn)定氧化鋯、氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯、 稀土摻雜二氧化鈰、 ±摻雜二氧化鈰、稀土氧化物穩(wěn)定氧化鉍、以及上述化 合物的多種組合組成的組的材料。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，陶瓷電解質(zhì)包括 氧化憶-穩(wěn)定氧化鋯。摻皿化鋯由于在寬的氧氣分壓范圍內(nèi)展示了基本上純的 離子導(dǎo)電性而具有吸引九在一個(gè)實(shí) 式中，陶瓷電解質(zhì)包括熱噴總化,乙-穩(wěn)定氧化鋯。本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉如何基于這里所論述的要求而選擇合適的電 解質(zhì)。
0032類(lèi)脅也，陽(yáng)豐服鄉(xiāng)賊可以取決于最終的應(yīng)用。在非限制性實(shí)戯式 中，陽(yáng)極層包括從貴金屬、過(guò)渡金屬、陶瓷合金、陶瓷，組合所鄉(xiāng)M的組中選 擇的材料。適合的陽(yáng)極材料的例^^括，但不限于，鎳、鎳合金、鈷、#4乙穩(wěn)定 氧化鋯陶瓷合金、銀憶穩(wěn)定氧化鋯陶^金、銀氧化鈰陶瓷合金、銀氧化銳參雜
氧化鈰陶瓷合金、豐臬tii^ft化鈰陶^金，以及其組合。這些陽(yáng)極材料以^^
許多不同的陽(yáng)離子。例如，對(duì)氧化鋯，Y、 Ca、 Sc可用fW毿讀U。在二氧化鈰中， Gd和Sm可用作摻雜劑。特定實(shí)施方式中，陽(yáng)極層包含鎳。鎳提供了容易形成 原位孔隙度，并且在坯體中非常耐用的優(yōu)點(diǎn)。鎳的其他優(yōu)勢(shì)則與其相對(duì)低成本 和容易得到有關(guān)。
0033陰極層還可以由常規(guī)材料形成，如多種電導(dǎo)(一些瞎況下為離子 導(dǎo)電)化合物。非限制性例子包括鍶摻雜LaMn03，鍶摻雜PrMn03、鍶摻雜 LaMn03、鍶摻繊酸鑭、鍶摻雑酸鑭、鍶摻雑鐵酸鑭、鐵酸鍶、SrFeCo0.5Ox、 SrCoo.8Fe0.203^ 1^0.20)0美20"30.781^60美203_5及其組合。這些材料的 復(fù)合物也可使用。在某些實(shí)施方式中，離子導(dǎo)體包括從由釔穩(wěn)定氧化鋯、稀土 氧化物穩(wěn)定氧化鋯、氧化鈧穩(wěn)定氧化鋯、稀土摻，化鈰、堿土， *化鈰、 稀土氧化物穩(wěn)定氧化鉍以及這些化合物的各種組合組成的組中選擇的材料。
0034用于燃料電池組件的各種材料是本領(lǐng)域公知的。此外，制造電池 的方法也是已知的。本領(lǐng)域技術(shù)人員同樣知道制 料電池的技術(shù)。在圖1所 示示例性實(shí)施方式中，燃料電池組件20包括多個(gè)重復(fù)通常具有平板構(gòu)造的單元30。這類(lèi)型的多個(gè)電池可為單一結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可被稱(chēng)為"堆"、"組件"或者提
供單電壓輸出的電池組合。
0035圖2為燃料電池連樹(shù)牛部分50的截面示意亂與陰極連接件22 類(lèi)似(圖1)。連銜牛由鐵素體鋼材料形成，包括通常面朝陰極層(未示出)的 表面52。圖3中，如前所述，奧氏##料54 (如含鈷或鎂的材料)！^M用在表 面52上。涂層表面接著進(jìn)行熱處理(或者允許部分或全部熱處理，原位)，以 將奧氏體相穩(wěn)定劑擴(kuò)散至連接件表面。如圖4所示，在熱處理后形成表面區(qū)域 56。(為便于觀(guān)察，表面區(qū)域厚度被放大。此外，區(qū)域邊界可能實(shí)際上為不規(guī)則， 可能與擴(kuò)散剖面圖形相符合)。如上所述，表面區(qū)域轉(zhuǎn)化為基本上奧氏體FCC 相。FCC相的出現(xiàn)可能導(dǎo)致這里所述的伴隨而來(lái)的優(yōu)勢(shì)，如M^鉻從連接件中 擴(kuò)散出來(lái)，以及因而增加了電池的有效使用壽命。熱處理后奧氏體相穩(wěn)定劑可 能有時(shí)殘存在連接件表面上。 一些情況下，殘留是有益的，是允許保留的。在 另一些情況下，可fflil多種清潔方法去除，如化學(xué)蝕刻鄉(xiāng)幾械打磨。
0036本發(fā)明專(zhuān)利性范圍是由權(quán)利要求限定的。盡管已經(jīng)參照具體實(shí)施 方式詳細(xì)描述了本發(fā)明，但不背離本發(fā)明主旨的情況下，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而 言，顯然可對(duì)本發(fā)明作出修改(與此處詳細(xì)描述的不同)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人 員所作修改應(yīng)視為在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。進(jìn)一步的，前面提及的所有專(zhuān)利、 專(zhuān)利公開(kāi)、論文、教科書(shū)及其他參考均皿參照并入本文。部件列表
20 固體氧化物燃料電池
22 陰極連接件
23 連接件內(nèi)表面
24 陽(yáng)極
25 燃料流道
26 陰極
27 燃料流道表面
28 陶瓷電解質(zhì)
30 重復(fù)燃料電池單元
33 連接部分
34 燃料流道
35 下陰極
36 空氣流道 38 空氣流 40 燃料流
45 燃料流道壁
47 燃料流道表面
50 燃料電池部分
52 連接表面
54 奧氏體材料層
56 連接件表面區(qū)域
權(quán)利要求
1.在至少一個(gè)由含有鐵素體鋼的材料形成的燃料電池連接件結(jié)構(gòu)(50)的表面(52)上形成擴(kuò)散阻隔層(56)的方法，包括以下步驟(a)在連接件(50)的表面(52)上施加奧氏體相穩(wěn)定劑的涂層(54)；和(b)加熱涂覆的表面將奧氏體相穩(wěn)定劑擴(kuò)散到表面(52)中，以使連接件結(jié)構(gòu)(50)的表面區(qū)域(56)從基本上鐵素體體心立方(BCC)相轉(zhuǎn)化為基本上奧氏體面心立方(FCC)相，其中與金屬原子通過(guò)BCC相的擴(kuò)散速率相比，F(xiàn)CC相顯示了降低金屬原子擴(kuò)散速率的特征。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其中連樹(shù)牛(22)與燃料電池(22)的陰極(26)連接。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，其中連接件結(jié)構(gòu)材料包括鉻。
4. 權(quán)利要求3所述的方法，其中與fflilBCC鐵素體材料的鉻擴(kuò)鵬率相 比，擴(kuò)散阻隔層具有降低鉻的擴(kuò)鵬率的特征。
5. 權(quán)利要求1所述的方法，其中奧氏懶急定劑包括從鎳、鈷、氮、碳和錳 組成的組中選擇的至少一種金屬。
6. 權(quán)利要求l所述的方法，其中涂覆的表面(52)在步驟(b)中被加熱， 加熱條件足夠形成厚度為連接件結(jié)構(gòu)(50)厚度的約0.1%到約10%的表面區(qū)域 (56)。
7. 權(quán)禾腰求6所述的方法，其中表面區(qū)域(56)厚度為約0.5M至約10縣。
8. 固體氧化物燃料電池(20)，包括 d)陰極(26); (11)陽(yáng)極(24);(iu)置于陽(yáng)極和陰極之間的陶瓷電解質(zhì)(28)，(iv) 陰極連接件(22)，其與陰t及上表面(26)連接，具有面對(duì)和至少部 分接觸陰極表面的接觸表面(23);禾口(v) 陽(yáng)極連接件(33)，其與陽(yáng)極下表面(24)連接，具有面對(duì)和至少部 分接觸陽(yáng)極表面的接觸表面；其中陽(yáng)極連接表面和陰極連接表面中至少一個(gè)包括特征為基本上奧氏體面心立方(FCC)相的表面區(qū)域.。
9. 權(quán)利要求8所述的固體氧化物燃料電池，其中陰極連樹(shù)牛(22)由包括 鐵素體不銹鋼的材料形成，并且包括以基本上鐵素體體心立方(BCC)相為特 征的下面襯底區(qū)域；以及以基本上奧氏體面心立方(FCC)相為特征的表面區(qū) 域。
10. 由多個(gè)(30)連接在一起的燃料電池組成的固體氧化物燃料電池堆， 其中至少一個(gè)燃料電池包括陰^^接件(22)，所述陰^j^接件由鐵素^pF自材料形成并且具有面對(duì)燃料電池(20)的陰極(26)表面的陰極連接件表面； 其中陰極連接表面包括以基本上奧氏體面心立方(FCC)相為特征的表面區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池連接結(jié)構(gòu)及相關(guān)裝置和方法。描述了在至少一個(gè)燃料電池連接件結(jié)構(gòu)(50)的表面(52)上形成擴(kuò)散阻隔層(56)的方法。連接結(jié)構(gòu)(50)通常由鐵素體不銹鋼材料形成，并且包括鉻。該方法包括在連接件表面(52)上涂覆奧氏體相穩(wěn)定劑(54)，以及然后加熱涂覆表面的步驟。熱處理使連接件表面區(qū)域的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化，從基本上的鐵素體體心立方(BCC)相轉(zhuǎn)變?yōu)榛旧系膴W氏體面心立方(FCC)相。通過(guò)FCC相的鉻擴(kuò)散速率相對(duì)低。這樣，可使鉻氧化物厚層的形成被最小化，帶來(lái)燃料電池更好的性能。還公開(kāi)了相關(guān)的燃料電池和燃料電池堆。
文檔編號(hào)H01M2/26GK101609875SQ200910159560
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者F·J·克盧格, J·A·魯?shù)? M·J·阿林格爾, R·薩拉菲-努爾, S·勒努 申請(qǐng)人:通用電氣公司