DE102006037862A1

DE102006037862A1 - Legierung für einen Brennstoffzellen-Interkonnektor

Info

Publication number: DE102006037862A1
Application number: DE102006037862A
Authority: DE
Inventors: Daniel Joseph Lewis; Canan Uslu Hardwicke; Sheela Kollali Ramasesha; Aravind Dattatrayaro Chinchure; Amitabh Verma; Melvin Robert Jackson; Anthony Mark Thompson; Nadathur Seshadri Hari; Kaushik Vaidya
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-04-19
Also published as: JP2007107090A; US20070087250A1; CN1948539A

Abstract

Eine Legierung für einen Interkonnektor (12) für eine Brennstoffzelle (10) wird zur Verfügung gestellt. Die Legierung weist Eisen mit mindestens etwa 60 Gew.-%, Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-%, Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-% auf. Die Legierung beinhaltet zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Aluminium, Ytrrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft allgemein eine Legierung für Interkonnektoren in einer Brennstoffzelle und im Besonderen eine Legierung, welche die Herstellbarkeit der Interkonnektoren verbessert.

Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch Katalyse von Brennstoff und Oxidationsmittel zu ionisiertem atomaren Wasserstoff an der Anode, bzw. zu ionisiertem atomaren Sauerstoff an der Kathode. Die im Ionisationsprozess an der Anode vom Wasserstoff abgetrennten freien Elektronen werden zur Kathode geleitet, wo sie den Sauerstoff ionisieren. Im Fall einer Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle werden die Sauerstoffionen durch den Elektrolyten geleitet, wo sie sich mit dem ionisierten Wasserstoff verbinden, um als Abfallprodukt Wasser zu bilden und den Prozess zu vollenden. Der Elektrolyt ist ansonsten sowohl für den Brennstoff als auch für das Oxidationsmittel undurchlässig und leitet nur Sauerstoffionen. Diese Folge von elektrochemischen Reaktionen ist der alleinige Weg, um in der Brennstoffzelle elektrische Energie zu erzeugen. Es ist deshalb wünschenswert, jede Vermischung der Reaktanden, die in einer abweichenden Kombination, wie z. B. Verbrennung, die keine elektrische Energie erzeugt und deshalb den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle reduziert, zu vermeiden oder zu eliminieren.

Brennstoffzellen sind zur Erzeugung von Energie mit passenden Voltzahlen typischerweise in elektrischer Reihenschaltung als Brennstoffzellenstapel aufgebaut. Zur Schaffung eines Brennstoffzellenstapels wird ein Interkonnektor-Bauteil eingesetzt, das die benachbarten Brennstoffzellen zu einer elektrischen Reihenschaltung verbindet. Wenn die Brennstoffzellen bei hohen Temperaturen, wie z. B. zwischen etwa 600° C und 1000° C, betrieben werden, sind die Brennstoffzellen mechanischen und thermischen Beanspruchungen unterworfen, die Belastungen erzeugen können und sich als Spannungen im Brennstoffzellenstapel auswirken. Typischerweise umfassen die verschiedenen in einer Brennstoffzellenanordnung in engem Kontakt miteinander stehenden Elemente unterschiedliche Konstruktionsmaterialien, wie z. B. ein Metall oder eine Keramik. Während der thermischen Kreisläufe der Brennstoffzellenanordnung dehnen sich und/oder schrumpfen die Elemente aufgrund des Unterschieds im thermischen Expansionskoeffizienten (CTE) der Konstruktionsmaterialien. Zusätzlich können einzelne Elemente aufgrund anderer Phänomene, wie z. B. einer Veränderung im chemischen Zustand eines oder mehrerer Elemente, der Ausdehnung oder Schrumpfung unterworfen sein.

Typischerweise sind die Interkonnektoren in Brennstoffzellen metallisch und umfassen ferritische Legierungen, die Wolfram oder Molybdän enthalten können, um den CTE-Unterschied zwischen den metallischen Interkonnektoren und den keramischen Elektroden zu reduzieren. Jedoch verringert ein hoher Wolfram-Prozentanteil in der Legierung die Bearbeitbarkeit der Interkonnektoren. Das heißt, bei bestimmten Wolfram-Gehaltsstufen wurde herausgefunden, dass Defekte und sogar Risse während der Verarbeitung der Teile, besonders während der Verringerung der Dicke des Materials, auftreten können.

Daher besteht ein Bedarf für die Entwicklung eines Interkonnektors in einer Brennstoffzellenanordnung, der an die Wechsel der Betriebszustände angepasst ist, einschließlich der Temperaturzyklen und der Wechsel im chemischen Zustand, und die zudem leicht zu verarbeiten sind.

KURZBESCHREIBUNG

Kurz gefasst, gemäß einer Ausführungsform wird eine Legierung für einen Brennstoffzellen-Interkonnektor geschaffen. Die Legierung umfasst Eisen mit etwa mindestens 60 Gew.-%, Chrom in einem Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% und Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-%. Die Legierung beinhaltet auch zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

In einer anderen Ausführungsform umfasst eine andere Legierung für einen Brennstoffzelleninterkonnektor mindestens etwa 75 Gew.-% Eisen, mindestens etwa 20 Gew.-% Chrom und mindestens etwa 4 Gew.-% Wolfram. Die Legierung beinhaltet auch zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

In noch einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Brennstoffzellenanordnung mindestens eine Brennstoffzelle, umfassend eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen positionierten Elektrolyten. Die Brennstoffzellenanordnung beinhaltet auch eine Interkonnektor-Struktur, die zumindest mit der Kathode und der Anode in engem Kontakt ist. Die Interkonnektor-Struktur ist aus einer Legierung gemacht. Die Legierung umfasst mindestens etwa 60 Gew.-% Eisen, Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% und Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-%. Die Legierung beinhaltet auch zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leichter verständlich, wenn die nachfolgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen Bezugszeichen die Bestandteile überall in den Zeichnungen kennzeichnen, gelesen wird, wobei:

1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung ist, die eine Wiederholungseinheit veranschaulicht und einen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einer Legierung hergestellten Interkonnektor beinhaltet; und

2 veranschaulicht einen vergrößerten Ausschnitt einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Brennstoffzelle mit dem verbesserten Interkonnektor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Brennstoffzellen haben ihr Potenzial hinsichtlich hoher Effizienz und schadstoffarmer Energieerzeugung bewiesen. Eine Brennstoffzelle, z. B. eine Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) ist eine Vorrichtung zur Energieumwandlung, die durch elektrochemische Reaktion eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels an einer ionisch leitfähigen Schicht Energie produziert. Eine beispielhafte planare Brennstoffzelle 10 umfasst ein Interkonnektorteil 12, ein Paar Elektroden, eine Kathode 14 und eine Anode 16, die durch einen Elektrolyten 18, wie in 1 gezeigt, getrennt sind.

Das Interkonnektorteil 12 legt mehrere Luftströmungskanäle 24 fest, die in engem Kontakt mit der Kathode 14 stehen, sowie mehrere Brennstoffströmungskanäle 26, die in engem Kontakt mit der Anode 16 der Wiederholungseinheit 20 einer benachbarten Zelle stehen, oder umgekehrt. In Betrieb wird ein Brennstoffstrom 28 an die Brennstoffströmungskanäle 26 geliefert, und ein Luftstrom 30, typischerweise erhitzte Luft, an die Luftströmungskanäle 24 geliefert.

2 zeigt einen Teil der Brennstoffzelle zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Brennstoffzelle. Wie in 2 gezeigt, wird der Brennstofffluss 28, z. B. Erdgas, der Anode 16 zugeführt und durchläuft eine Oxidationsreaktion. Der Brennstoff reagiert an der Anode mit Sauerstoffionen (O^2–), die quer durch den Elektrolyten zur Anode transportiert werden. Die Sauerstoffionen (O^2–) werden entionisiert und geben die Elektronen an einen externen Stromkreis 34 ab. Der Luftstrom 30 wird der Kathode 14 zugeführt und nimmt die Elektronen vom externen Stromkreis 34 auf und durchläuft eine Reduktionsreaktion. Der Elektrolyt 18 leitet Ionen zwischen der Anode 16 und der Kathode 14. Der Elektronenfluss erzeugt direkt eine elektrische Spannung und der Prozess erzeugt bestimmte Abgase und Wärme.

In einer in 1 beispielhaft gezeigten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzellenanordnung mehrere Wiederho lungseinheiten 20 mit planarem Aufbau, obwohl mehrere solcher Zellen in einer einheitlichen Struktur zur Verfügung gestellt werden können, wobei die Struktur bezeichnet werden könnte als Stapel oder als Sammlung von Zellen oder als eine Anordnung, die in der Lage ist, eine zusammengefasste Leistung zu produzieren.

Der Hauptzweck der Anodenschicht 16 besteht darin, für Reaktionsstellen für die elektrochemische Oxidation des in die Brennstoffzelle eingeführten Brennstoffs zu sorgen. Außerdem sollte das Anodenmaterial in der den Brennstoff reduzierenden Umgebung stabil sein, eine angemessene elektronische Leitfähigkeit, Oberflächenbereiche und katalytische Aktivität für die Brennstoffgasreaktion bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle aufweisen und ausreichend Porosität haben, um den Gastransport zu den Reaktionsstellen zu gewährleisten. Die Anodenschicht 16 kann aus einer Anzahl von Materialien gemacht werden, welche diese Eigenschaften haben, eingeschlossen sind, ohne Begrenzung auf dieselben, Edelmetalle, Übergangsmetalle, Cermets, Keramiken, und Kombinationen davon. Im Besonderen kann die Anodenschicht 16 hergestellt werden aus irgendwelchen Materialien, die ausgewählt sind aus der aus Ni, Ni-Legierungen, Ag, Cu, Kobalt, Ruthenium, Ni-YSZ-Cermet, Cu-YSZ-Cermet, Ni-Ceria-Cermet oder Kombinationen davon bestehenden Gruppe.

Der Elektrolyt 18 wird auf die Anodenschicht 16 typischerweise durch Band- oder Streifenguss oder Band- oder Streifenkalandrierung aufgebracht. Der Hauptzweck der Elektrolytschicht 18 ist es, die Ionen zwischen der Anodenschicht 16 und der Kathodenschicht 14 zu leiten. Der Elektrolyt befördert die an einer Elektrode erzeugten Ionen zur anderen Elektrode und gleicht somit die Ladung des Elektronenflusses aus und schließt den elektrischen Stromkreis in der Brennstoffzelle. Zusätzlich trennt der Elektrolyt in der Brennstoffzelle den Brennstoff vom Oxidationsmittel. Dementsprechend muss der Elektrolyt sowohl in reduzierender als auch in oxidierender Umgebung stabil, undurchlässig gegenüber Reaktionsgasen und bei Betriebsbedingungen entsprechend leitfähig sein. Typischerweise ist der Elektrolyt 18 im Wesentlichen elektrisch nicht-leitend. Der Elektrolyt 18 kann aus einer Anzahl von Materialien hergestellt werden, die diese Eigenschaften haben, eingeschlossen sind, ohne Beschränkung auf dieselben, ZrO₂, YSZ, dotierte Cerverbindungen, CeO₂, Bismut-Sesquioxide, Pyrochloroxide, dotierte Zirkonate, Perovskit-Oxid-Materialien, und Kombinationen derselben.

Die Kathodenschicht 14 ist auf dem Elektrolyten 18 aufgelegt. Der Hautzweck der Kathodenschicht 14 ist es, Reaktionsstellen für die elektrochemische Reduktion des Oxidationsmittels zur Verfügung zu stellen. Dementsprechend muss die Kathodenschicht 14 in oxidierender Umgebung stabil sein, eine ausreichende elektronische und ionische Leitfähigkeit aufweisen, einen Oberflächenbereich und katalytische Aktivität für die Gasreaktion des Oxidationsmittels bei den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle aufweisen und ausreichende Porosität aufweisen, um den Gastransport an die Reaktionsstellen zu erlauben. Die Kathodenschicht 14 kann aus einer Vielzahl von Materialien gefertigt sein, welche diese Eigenschaften aufweisen, einschließlich, ohne Beschränkung auf dieselben, ein elektrisch leitfähiges Oxid, Perovskit, dotiertes LaMnO₃, Zinn-dotiertes Indiumoxid (In₂O₃), Strontium-dotiertes PrMnO₃, La-Ferrite, La-Kobaltide, RuO₂-YSZ, und Kombinationen davon.

Einige der Funktionen eines typischen Interkonnektors in einer planaren Brennstoffzellenanordnung bestehen darin, für den elektrischen Kontakt zwischen den in Serie oder parallel geschalteten Brennstoffzellen zu sorgen und für den Brennstoff- und Oxidationsmitteldurchfluss sowie die mechanische Abstützung zu sorgen. Keramiken, Cermets und metallische Legierungen werden typischerweise als Interkonnektoren verwendet. Metallische Materialien haben, wegen ihrer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, der leichten Fertigung und der geringen Kosten bestimmte Vorteile, wenn sie als Material für Interkonnektoren benutzt werden. In einigen Ausführungsformen kann die Brennstoffzellenanordnung Brennstoffzellen mit planarer Konfiguration, röhrenförmiger Konfiguration oder einer Kombination davon umfassen. Die durch die vorliegenden Techniken geschaffenen Legierungen können einer Reihe von physikalischen Brennstoffzellanordnungen zugute kommen, und die Entwicklung von Interkonnektoren mit den in diesen Anordnungen verwendeten verschiedenartigen Modellen erleichtern.

Die in der Umgebung von Brennstoffzellen in metallischen Materialien auftretenden Instabilitäten beschränken die Zahl der Metalle, die für Interkonnektoren verwendet werden können. Typischerweise bilden hochtemperaturoxidationsresistente Legierungen eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche, wobei die Oxidschichten die Rate der Oxidationsreaktion reduzieren. Während der Betriebsdauer kann die Temperatur einer Brennstoffzelle, wie z. B. einer Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle, etliche Male zwischen Raumtemperatur im ausgeschalteten Zustand und einer Betriebstemperatur bis zu 1.000° C hin und her wechseln. Während des thermischen Zyklus durchlaufen die Elemente, eingeschlossen aber nicht beschränkt auf die Anode, die Kathode und die Interkonnektoren, thermische Ausdehnung und Kontraktion gemäß dem thermischen CTE der individuellen Materialien. Falls die CTE der in engem Kontakt miteinander stehenden Elemente der Brennstoffzellenanordnung einen Unterschied aufweisen, steht die Brennstoffzellanordnung unter mechanischer Belastung. Diese innerhalb der Brennstoffzelle entstandene Belastung kann im Gegenzug zu Schäden der strukturellen Unversehrtheit der Brennstoffzelle führen.

Deshalb sollten die für die Herstellung von Interkonnektoren verwendeten Metalllegierungen eine Reihe von Eigenschaften aufweisen. Bei der Auswahl einer Legierung für den Interkonnektor müssen Eigenschaften wie die Oxidationsbeständigkeit, CTE, der spezifische (elektrische) Flächenwiderstand und die Verarbeitbarkeit, ohne Beschränkung auf dieselben, beachtet werden.

Hier werden Legierungen für Interkonnektoren offenbart, die Eisen mit mindestens etwa 60 Gew.-%, Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% und Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-% aufweisen. Die Legierung beinhaltet auch zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

In einer Ausführungsform ist der Chrom-Gehalt der Legierung im Bereich von etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%. In einer anderen Ausführungsform ist der Chromgehalt der Legierung etwa 20 Gew.-%. Oxidationsbeständige Stähle enthalten typischerweise Chrom als das Hauptlegierungselement. In Hochtemperatur-, sauerstoffhaltigen Umgebungen, oxidiert Chrom vorzugsweise und bildet einen schützenden Oberflächenbelag, der typischerweise aus Chromoxid (Cr₂O₃) besteht. Bei hohen Temperaturen zeigt diese Schicht auch elektronische Leitfähigkeit.

Der Wolfram-Gehalt liegt bei einer spezifischeren Ausführungsform der hierin offenbarten Legierungen in einem Bereich von etwa 3,5 Gew.-% bis etwa 4,5 Gew.-%. In einer Ausführungsform ist der Wolfram-Gehalt der Legierung etwa 4 Gew.-%. In einer ferritischen Stahllegierung (eine auf Eisen basierte Legierung) dient Wolfram als Hauptverstärkungselement. Ein höherer Wolfram-Prozentanteil macht die Legierung jedoch bei der Herstellung der Interkonnektor-Bleche schwerer verarbeitbar. Wolfram ist auch erforderlich, um den CTE der Legierung durch enge Anpassung an den CTE der keramischen Komponenten in der Brennstoffzelle zu verbessern. Falls Wolfram in hohen Anteilen gegenwärtig ist, tendiert es dazu, die Legierung zu härten. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung glauben deshalb, dass ein hoher Prozentgehalt an Wolfram den CTE verbessert, aber zugleich bei der Verarbeitung der Legierung zum Brennstoffzellen-Interkonnektor Verarbeitungsdefekte, so wie Risse, erzeugt.

Typischerweise werden die Risse während der Walzvorgänge gebildet, wenn die Legierung zur Herstellung der Interkonnektor-Platten verarbeitet wird. Es wird vermutet, dass ein Wolfram-Gehalt von etwa 3 bis etwa 4,5 % in der Legierung ein optimaler Gehalt ist, wobei keine der für die Interkonnektor-Legierung erforderlichen Eigenschaften eingeschränkt wird. In der hierin beschriebenen Legierungszusammensetzung erlaubt der Wolfram-Prozentanteil die Verbesserung des CTE der Legierung ohne die Herstellbarkeit oder die Leichtigkeit der Verarbeitung der Legierung einzubüßen.

In einigen Ausführungsformen beinhaltet die Legierung zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%. In einigen anderen Ausführungsformen beinhaltet die Legierung zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-%. In einer Ausführungsform beinhaltet die Legierung Lanthan mit etwa 0,1 Gew.-% und Yttrium mit etwa 0,1 Gew.-%. In einigen anderen beinhaltet die Legierung zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan in einem Bereich von etwa 1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-%.

Aluminium erhöht die Oxidationsresistenz der Legierung. Hohe Aluminium-Prozentanteile in der Legierung verschlechtern jedoch die Festigkeit der Legierung. Yttrium und Lanthan verbessern die Festigkeit der Legierung genauso wie die Oxidationsresistenz. Auch können Metalle wie Mangan, Molybdän, Zirkon, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan der Legierung zur Verbesserung des CTE der Legierung zugefügt werden, und um ihn an den der Nicht-Metallkomponenten, wie z. B. der Anode, Kathode und des Elektrolyten, anzupassen.

In einer anderen Ausführungsform hat die Legierung für den Interkonnektor einen Eisengehalt von etwa 75 Gew.-%, Chrom mit etwa 20 Gew.-% und Wolfram mit etwa 4 Gew.-%. Außerdem enthält die Legierung zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

In einigen anderen Ausführungsformen hat die Legierung für den Interkonnektor einen Eisengehalt von etwa 75 Gew.-%, Chrom mit etwa 20 Gew.-% und Wolfram mit etwa 4 Gew.-%. Außerdem beinhaltet die Legierung Lanthan mit etwa 0,1 Gew.-% und Yttrium mit etwa 0,1 Gew.-%.

In einigen anderen Ausführungsformen hat die Legierung für den Interkonnektor einen Eisengehalt von etwa 75 Gew.-%, Chrom mit etwa 20 Gew.-% und Wolfram mit etwa 4 Gew.-%. Außerdem beinhaltet die Legierung Lanthan mit etwa 0,5 Gew.-% und Yttrium mit etwa 0,5 Gew.-%.

Alle in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Legierungszusammensetzungen können für unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen genutzt werden, eingeschlossen sind ohne Beschränkung auf dieselben, Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen, Protonenaustauschmembran- oder Feststoffpolymer-Brennstoffzellen, Flüssigcarbonat-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Kalilauge-Brennstoffzellen, Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, regenerative Brennstoffzellen, Zink-Luft-Brennstoffzellen oder protonische Keramik-Brennstoffzellen.

Wie in den 1 und 2 gezeigt, kann das Interkonnektorteil 12 einer Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellenanordnung 10 unter Verwendung einer Legierungszusammensetzung, wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, hergestellt werden. Die Legierungszuammensetzung für einen Brennstoffzellen-Interkonnektor wie er hierin offenbart wird, werden weiter an den nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispielen illustriert.

BEISPIEL

Eine ferritische Legierungszuammensetzung, enthaltend Eisen, 20 % Chrom, 4 % Wolfram, 0,5 % Lanthan und 0,5 % Yttrium. Alle Prozentgehalte sind in Gew.-%. Die aus der Legierungszusammensetzung hergestellten Barren waren aus Guss und wurden bei erhöhten Temperaturen zu rechteckigen Stäben deformiert. Das Stangenmaterial wurde kann zu einer Platte mit einer Dicke von 0,15 Inch heißgewalzt. Während des Gießens und des Vorgangs der Hitzebearbeitung entwickelten sich in dem Material keine Risse. Die durchschnittliche VICKERS-Härte wurde mit 200,2 HV bei einer Standardabweichung von 3,5 HV nach dem Heißwalzen gemessen. Das Material wurde dann wiederholt mit Hilfe einer Kaltwalzbehandlung in der Dicke reduziert. Obwohl versucht wurde, die Dicke jedes Mal um 25 % zu reduzieren, variierten die gemessenen Abnahmen der Dicke zwischen 13 % und 32 %. Die durchschnittliche Abnahme der Dicke für jede der sieben Kalzwalzbehandlungen betrug 24 %. Während der Bearbeitung der Platten wurden keine Risse in den gewalzten Platten entdeckt. Die Härtemessungen wurden nach jedem Walzschritt unter einer Last von 500 Gramm, 13 Sekunden Druckhaltezeit auf der VICKERS-Skala, durchgeführt. Die Härte variierte von 200 bis 335 HV. Druckbelastungstests wurden mit Proben vom gleichen Barren durchgeführt. Die gemessene Quetschgrenze für vier Proben war 45,8 ksi.

Es wird eine Legierung für einen Interkonnektor (12) für eine Brennstoffzelle 10 zur Verfügung gestellt. Die Legierung weist Eisen mit mindestens etwa 60 Gew.-%, Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-%, Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-% auf. Die Legierung beinhaltet zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.

Während hierin nur bestimmte Merkmale der Erfindung illustriert und beschrieben wurden, werden den Fachleuten viele Modifikationen und Änderungen offensichtlich sein. Es ist deshalb zu bedenken, dass die beigefügten Ansprüche so gemeint sind, dass sie alle diese Modifikationen und Abänderungen, die unter den Kerngedanken der Erfindung fallen, abdecken.

10: Brennstoffzellen-Anordnung
12: Interkonnektor
14: Kathode
16: Anode
18: Elektrolyt
20: Wiederholungseinheit
22
24: Luftströmungskanäle
26: Brennstoffströmungskanäle
28: Brennstoffstrom
30: Luftstrom
32: Vergrößerter Ausschnitt der Brennstoffzelle
34: Externer Stromkreis

Claims

Eine Legierung für einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle, wobei die Legierung zumindest enthält: Eisen mit mindestens etwa 60 Gew.-%; Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-%; Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-%; und zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Wolframgehalt der Legierung in einem Bereich von etwa 3,5 Gew.-% bis etwa 4,5 Gew.-% liegt.
Die Legierung nach Anspruch 2, wobei der Wolframgehalt der Legierung etwa 4 Gew.-% ist.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Chromgehalt der Legierung in einem Bereich von etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% liegt.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Wolframgehalt der Legierung etwa 20 Gew.-% ist.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Mindestgehalt eines Legierungselementes in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% liegt.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Mindestgehalt eines Legierungselementes in einem Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis etwa 1,0 Gew.-% liegt.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei der Mindestgehalt eines Legierungselementes etwa 0,1 Gew.-% ist.
Die Legierung nach Anspruch 1, aufweisend Lanthan und Yttrium.
Die Legierung nach Anspruch 9, wobei der Lanthangehalt der Legierung etwa 0,1 Gew.-% und der Yttriumgehalt der Legierung etwa 0,1 Gew.-% ist.
Die Legierung nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Feststoffelektrolyt-Brennstoffzellen, Protonenaustauschmembran-, Feststoffpolymer-Brennstoffzellen, Flüssigcarbonat-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoff-zellen, Kalilauge-Brennstoffzellen, Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, regenerative Brennstoffzellen, Zink-Luft-Brennstoffzellen oder protonische Keramik-Brennstoffzellen.
Eine Legierung für einen Interkonnektor für eine Brennstoffzelle, wobei die Legierung zumindest aufweist: Eisen mit mindestens etwa 75 Gew.-%; Chrom mit etwa 20 Gew.-%; Wolfram mit etwa 4 Gew.-%; und zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.
Eine Brennstoffzellen-Anordnung, die aufweist: mindestens eine Brennstoffzelle, die eine Anode, Kathode und einen dazwischen liegenden Elektrolyten aufweist, und eine Interkonnektor-Struktur in engem Kontakt mit zumindest der Kathode oder der Anode, wobei die Interkonnektor-Struktur aus einer Legierung gemacht ist, die zumindest enthält: Eisen mit mindestens etwa 60 Gew.-%; Chrom im Bereich von etwa 15 bis etwa 30 Gew.-%; Wolfram im Bereich von etwa 3 bis etwa 4,5 Gew.-%; und zumindest ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Yttrium, Zirkonium, Lanthan, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Tantal und Titan.
Die Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzelle eine Feststoffelektrolyt-Brennstoffzelle ist.