一种用于固体氧化物燃料电池的连接体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于固体氧化物燃料电池的连接体材料及其制备方法，所述连接体材料为TiN和Ni形成的复合材料，包含TiN相和Ni相，其中述TiN相的体积百分比为30vol.%～70vol.%。本发明专利技术制备的连接体材料（或称TiN/Ni复合材料）致密、强度高，易于加工，适合于商用SOFC连接体制造。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可用于固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体材料(TiN/Ni复合材料)及其制备方法，属于金属/陶瓷复合材料领域。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)被视为21世纪很有发展前景的能量转化设备，具有系统设计简单、能量转换效率高、环境友好、规模弹性大及寿命长等优点，也因此成为全球范围争相研究的热点技术。通常情况下，单电池的输出电压不到1V。要达到能够实际应用的千瓦乃至兆瓦级输出功率范围，需要由连接体将多个单电池组装成电池堆。连接体作为SOFC的关键部件之一，具有连接相邻单电池阴极和阳极，收集电流，分隔空气与燃料气并且移除反应产物等功能。因此，要想实现SOFC的商业化应用，最为重要的挑战之一便是研究出在高温工作环境下稳定，，与电池其它组件材料的TEC匹配，致密，具备高电导率、良好的热传导率、良好的综合机械性能，易于加工，成本低的连接体材料。而现有SOFC连接体存在各种问题：传统的陶瓷连接体主要是掺杂的LaCrO3陶瓷，加工性能不足和较高的生产成本限制了其推广应用。随着SOFC的工作温度降低到800℃甚至更低，Ni基、Cr基和Fe素体基体合金逐渐取代陶瓷材料成为SOFC连接体的主要应用材料。以铁素体不锈钢为代表的合金材料虽然具有成本低、易于加工的优势，但其长期高温应用环境下的抗氧化能力不足，导致连接体氧化严重，导电性能下降，SOFC电池堆输出功率衰退。虽然近年来开发的导电涂层保护技术可以使其抗氧化性能有一定的提高，但其成本劣势和使用可靠性使得连接体成为制约SOFC推广应用的瓶颈技术之一。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种可长期应用于高温环境，并且具有良好高温导电能力的金属/陶瓷复合材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种用于固体氧化物燃料电池的连接体材料，其特征在于，所述连接体材料为TiN和Ni形成的复合材料，包含TiN相和Ni相，其中述TiN相的体积百分比为30vol.％～70vol.％。本专利技术，即采用具有良好导电性能(电导率S：1～4×104S/cm)和低膨胀系数的TiN陶瓷颗粒(TEC：7.4×10-6/K)与具有良好抗氧化基因Ni金属粉(TEC：17×10-6/K)进行复合，在解决传统Ni基金属高热膨胀系数无法与SOFC电解质匹配问题的同时，又充分利用两者的高温抗氧化和导电性能，具有良好的应用前景。较佳地，当所述TiN相的体积百分比为30vol.％～40vol.％时，所述连接体材为金属基体型，导电主体为Ni相。较佳地，当所述TiN相的体积百分比为60vol.％～70vol.％时，所述连接体材为陶瓷基体型，导电主体为TiN相。较佳地，当所述TiN相的体积百分比为40vol.％～60vol.％时，所述连接体材为金属陶瓷双相型，导电主体为TiN相和Ni相。本专利技术中所述连接体材料为TiN和Ni形成的复合材料，包含TiN相和Ni相，TiN相与Ni相通过界面反应完成紧密结合。在金属基体型中，TiN相均匀分布在Ni相金属基体中。在陶瓷基体型中，金属Ni相分散或部分连续的分布在TiN相基体中。在金属陶瓷双相型中，TiN相与Ni相交替分布。较佳地，所述连接体材料在20～800℃温度区间内的平均热膨胀系数TEC在(9.7～13.2)×10-6/K之间。较佳地，所述连接体材料的致密度为理论密度的92～99％，抗弯强度为670～1200MPa，热导率为30～45W/m·K，电导率为(1.4～1.8)×104S·cm-1。另一方面，本专利技术提供了连接体材料的制备方法，其特征在于，包括：按照体积百分比称取TiN粉体和Ni粉体，加入溶剂后球磨混合，配制成固含量为40-45wt％的浆料，再经烘干、研磨和过筛后，得原料粉体；采用热压烧结或放电等离子烧结技术，将所得原料粉体在一定气氛下进行烧结，得到所述连接体材料。较佳地，所述TiN粉体为具有良好电子导电特性的氮缺位型TiNx(x＜1)，纯度≥99.9％，平均粒径为1～10μm。较佳地，所述Ni粉体的纯度≥99.9％，平均粒径为0.5～5μm。较佳地，球磨时使用的是WC研磨球和WC研磨罐。较佳地，使用200目筛过筛。较佳地，所述热压烧结或放电等离子烧结技术的参数包括：烧结气氛为真空＜5×10-2Pa或Ar气气氛，烧结压力30～70MPa，烧结温度为1000～1500℃，烧结时间为0.25～1.5小时。本专利技术制备的连接体材料可用于作为固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体。本专利技术的特点是：1、本专利技术采用了高导电性以及优良抗氧化性能的TiN陶瓷颗粒与金属Ni复合，充分发挥两者高导电性和高抗氧化性的优势，使得制备的连接体材料800℃/50h空气气氛条件下的氧化层厚度不超过10μm，同时电导率不小于1.40×104S·cm-1，超过了广泛使用的铁素体不锈钢连接体；2、本专利技术的连接体材料可以根据成分的不同设计成金属基体型、陶瓷基体型和金属陶瓷双相型；3、本专利技术采用低热膨胀系数的TiN陶瓷(TEC：4.7×10-6/K)与高热膨胀系数的金属Ni(TEC：17×10-6/K)复合，制备的连接体材料20～800℃内热膨胀系数在(9.7～13.2)×10-6/K之间可调，与SOFC要求的(10.5～11)×10-6/K完全匹配；4、本专利技术制备的连接体材料(或称TiN/Ni复合材料)致密、强度高，易于加工，适合于商用SOFC连接体制造。附图说明图1为实施例1制备的连接体材料(30vol.％TiN/Ni)的微观结构照片；图2为实施例2制备的连接体材料(50vol.％TiN/Ni)的微观结构照片；图3为实施例3制备的连接体材料(70vol.％TiN/Ni)的微观结构照片；图4为实施例1-3制备的连接体材料(TiN/Ni)热膨胀系数曲线；图5为实施例1制备的连接体材料(30vol.％TiN/Ni)在800℃/50h空气气氛氧化条件下的电导率。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术采用具有高导电性、优良抗氧化基因的TiN陶瓷颗粒和金属Ni粉双组份设计，TiN陶瓷颗粒的添加体积百分比为30vol.％～70vol.％，金属Ni粉的添加体积百分比为70vol.％～30vol.％。当本TiN陶瓷颗粒的添加体积百分比少于30vol.％，会导致连接体材料的热膨胀系数偏高，抗氧化能力变差；多于70vol.％，不但会增加烧结难度，而且会导致连接体材料的热膨胀系数偏低，导电性能变差。专利技术的显著特征在于连接体材料的导电主体可以随组分设计调控，随着两相组分添加比例的不同，可以设计成导电主体为金属Ni的金属基体型，导电主体为TiN陶瓷的陶瓷基体型和导电主体为Ni相+TiN相的金属陶瓷复合型三种，可用于固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体。本专利技术中，当所述连接体材料(或称TiN/Ni复合材料)中所述TiN相的体积百分比为30vol.％～40vol.％时，所述连接体材料为金属基体型，导电主体为Ni相。在金属基体型中，TiN相均匀分布在Ni相金属基体中。本专利技术中，当所述连接体材料中所述TiN相的体积百分比为60vol.％～70vol.％时，所述连接体材料为陶瓷基体型，导电主体为TiN相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于固体氧化物燃料电池的连接体材料，其特征在于，所述连接体材料为TiN和Ni形成的复合材料，包含TiN相和Ni相，其中述TiN相的体积百分比为30vol.%～70vol.%。

【技术特征摘要】
1.一种用于固体氧化物燃料电池的连接体材料，其特征在于，所述连接体材料为TiN和Ni形成的复合材料，包含TiN相和Ni相，其中述TiN相的体积百分比为30vol.%～70vol.%。2.根据权利要求1所述的连接体材料，其特征在于，当所述TiN相的体积百分比为30vol.%～40vol.%时，所述连接体材为金属基体型，导电主体为Ni相。3.根据权利要求1所述的连接体材料，其特征在于，当所述TiN相的体积百分比为60vol.%～70vol.%时，所述连接体材为陶瓷基体型，导电主体为TiN相。4.根据权利要求1所述的连接体材料，其特征在于，当所述TiN相的体积百分比为40vol.%～60vol.%时，所述连接体材为金属陶瓷双相型，导电主体为TiN相和Ni相。5.根据权利要求1-4中任一项所述的连接体材料，其特征在于，所述连接体材料在20～800℃温度区间内的平均热膨胀系数TEC在(9.7～13.2)×10-6/K之间。6.根据权利要求1-5中任一项所述的连接体材料，其特征在于，所述连接体材料的致密度为理论密度的92～99%，抗弯强...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岩，盖琳琳，齐倩，黄政仁，刘学建，张辉，朱云洲，姚秀敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31