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用于固体氧化物燃料电池分离板的高导电性铁素体不锈钢
信息来源:世界金属导报2024-07-09B01      时间:2024-07-09 00:00:00


近年来,随着氢市场的增长,对SOFC(固体氧化物燃料电池)/SOEC(固体氧化物电解池)材料的要求也在增加,主要用于氢燃料电池发电厂和电解制氢。

分离板是平面型固体氧化物燃料电池设备的主要组件之一,位于每个电池之间。它与电池之间物理上分离,但电气上连接。迄今为止,人们一直广泛使用添加稀土金属(REM)的不锈钢,众所周知,稀土金属具有出色的导电性,并能在高温下保持表面氧化层的稳定性。

但由于添加La、Zr等稀土元素的难度较大,必须采用真空熔炼的方法制备,材料成本较高。因此,开发符合分离板要求的低成本材料是SOFC和SOEC商业化的重要问题之一。

韩国浦项钢铁公司采用传统的连铸连轧工艺,在不添加稀土金属元素的情况下,开发并制造了一种用于SOFC分离板的新型低成本铁素体不锈钢。此外,还开发了一种技术,通过控制Cr/Mn比率以及添加Nb和Mo,可在高温下形成具有优异导电性的氧化层。

通过控制Cr和Mn含量的比率,可以在高温下获得高导电性尖晶石型氧化物(Mn,Cr)3O4。此外,研究还发现Nb和Mo的添加会抑制氧化硅薄膜的形成,而Nb和Mo会形成Laves相Nb2Si。众所周知,氧化硅具有绝缘性能,会降低导电性。此外,Laves相在改善基体与已形成的导电氧化物层之间的界面粘附性和稳固性方面发挥着重要作用。因此,可以采用传统的连铸工艺来制造导电氧化物,而无需添加La、Zr等稀土金属元素。

为了在高温(约800℃)条件下提供高抗氧化性和导电性的表面特性,可采取下列措施:

1)优化Cr和Mn的含量比例,以便在工作温度下在表面形成高导电性尖晶石结构的(Mn,Cr)3O4层;

2)优化Nb和Mo的含量,以提高长期暴露在高温下的抗氧化性和强度。

从2021年到2024年,浦项钢铁公司成功开发出符合全球能源开发公司要求的固体氧化物燃料电池分离板用钢材460FC。高导电性460FC可用作固体氧化物燃料电池分离板。该钢种不添加稀土金属元素,可通过传统的连续铸造工艺制造,由此可以节省制造成本。通过优化Cr/Mn比率以及Nb和Mo的含量,提高了高温下的表面导电性和抗氧化性。460FC的高温表面导电性和抗氧化性与稀土金属添加钢相似。

作为不含稀土金属元素的新型铁素体不锈钢,460FC有助于降低SOFC分离板的成本。800℃等温氧化后形成的氧化铁皮遵循抛物线长大动力学,主要由外层(Mn,Cr)3O4尖晶石层组成。该钢种可用作SOEC分离板,生产绿色氢气。

浦项钢铁公司计划将460FC不锈钢应用于SOFC分离板,由此节约制造成本,并推进环保型SOFC/SOEC材料的普及。


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