固体氧化物燃料电池用的互联件及其用于固体氧化物燃料电池的铁素体不锈钢

相关申请的交叉参考

本申请要求保护标题为”固体氧化物燃料电池用互联件和适于固体氧 化物燃料电池用的互联件的铁素体不锈钢”于2005年6月15日提出的U.S. 临时申请系列号60/690,671的利益，在此特别引入作为参考。

背景

本发明一般涉及固体氧化物燃料电池(“SOFCs”)使用的互联件，并可 用于平面固体氧化物燃料电池(“PSOFCs”)中，本发明还涉及用于制成 SOFCs用互联件的铁素体不锈钢。例如，本发明公开的一些非限制性实施 方案涉及互联件，该互联件包括至少一个通道在其经受高温氧化性气氛时 在其至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，并且还包括至少一 种气流通路在其经受高温氧化性气氛时在其至少部分表面上产生富铝氧化 皮。另一个非限制性实施方案涉及SOCFs用的互联件，该互联件含有铁素 体不锈钢和在SOFCs的一些操作条件下有抗氧化性的金属材料。对包括已 公开的互联件的SOFCs和PSOFCs用互联件的制造方法，也作了描述。

固体氧化物燃料电池是全部由固态材料构造。典型地SOFCs使用快速 氧离子-传导陶瓷(有代表性的是钇稳定的氧化锆或“YSZ”)作为电解质，并 且在约500℃(932)～1000℃(1832)的温度范围内操作以有利于固体状 态传输。单个的SOFC“电池”或子单元，包括被固体电解质隔开的阳极和 阴极。因为电流发生的SOFCs，一般是在最高达约1000℃的温度下操作， 阳极和阴极通常由陶瓷材料制成，以免环境降解。阳极和阴极层两者皆含 有气体可以穿过的互联件孔的网络，并且是良好的电导体(例如，它们主要 呈显非离子导电性)。在电流发生的SOFCs中，阳极通常是由导电的镍/YSZ 复合物制成的(陶瓷/金属复合物或“金属陶瓷”)，其中镍提供一种连续的 导电通路，而YSZ则起到减小整个复合体的热膨胀系数的作用，并防止孔 的网络因烧结阻断。阴极可以基于，例如，锰酸镧(LaMnO₃)，通常掺杂锶(取 代一些镧，形成La_1-xSr_xMnO₃)用来改善其导电率。电解质通常是十分致密 的YSZ薄层(相对于阳极和阴极)。

在SOFC电池的操作过程中，把氧化剂(如O₂或空气)在靠近电池的阴 极加入燃料电池，在这里它以下列半电池反应，接受来自外电路的电子：

1/2O_2(g)+2e^-＝O^-2

在阴极以半电池反应产生的氧离子，借助于固态扩散，穿过YSZ电解 质，进入电解质/阳极界面，在那里它们与靠近阳极处引入SOFC的燃料， 如氢，起反应。在使用上，纯氢可以作为供体，而烃燃料如甲烷、煤油或 汽油，一般必须部分被燃烧或重整，成为氢和一氧化碳。这一点可在燃料 电池内完成，通过高操作温度和通过蒸汽注入藉助完成。燃料气体混合物 穿过多孔的阳极，进入阳极/电解质界面，在那里它与来自YSZ电解质的氧 离子进行下列半电池反应：

H_2(g)+O^-2＝2e^-+H₂O_(g)

如上所述，该半电池反应释放的电子，其重新进入外电路。为了保持 整个电荷的平衡，由于氧离子通过电解质，由阴极传输到阳极的电荷流， 是通过因外电路中的电子传导的电荷流而达到平衡。外电路中的电子流， 产生大约1伏的电势。为了产生较大的伏特量，燃料电池通常不以单一单 元操作，而代之以，由多个单个的电池系列排列，以“互联件”连接组成 “叠片组”，并在直接接近电池的阳极和阴极之间传导电流。普通的叠片组 设计是扁平板状或“平面状”SOFC(或“PSOFC”)。在PSOFC中，至少有 两个，优选更多，SOFCs以重复序列被叠层在一起，其中各单个SOFC由 位于叠片组内一个SOFC的阳极和直接靠近SOFC的阴极之间的互联件所 隔开。

依PSOFC的设计而定，互联件可起到几种功能，包括分离和包含反应 剂气体以及给电流提供低阻通路，以便以串联性电连接电池。互联件还可 称为“双极板”或“隔板”，这依据其在燃料电池内的功效而定。通常，互 联件材料必须能经得住电池内苛刻的高温条件；必须是适当的电导性的(包 括在所述材料上形成的任何氧化物或其它表面膜)；和必须具有足以与电池 内的陶瓷电极的CTE相似的热膨胀系数(CTE)以保证燃料电池叠片组必不 可少的结构完整性和气密性。

最初的PSOFC设计使用了掺杂的铬酸镧(LaCrO₃)陶瓷材料作为互联件 材料。LaCrO₃陶瓷在SOFCs操作的高温下不降解并且具有与燃料电池其它 陶瓷组分基本匹配的热膨胀系数。然而，LaCrO₃陶瓷是脆性的，难以加工 制造，且特别贵。为了强调这些缺点，建议把金属互联件用于PSOFCs中。 这些包括由镍-基合金，如AL 600^TM合金，以及一些奥氏体不锈钢，如300 系列，其范例是304型合金制成的互联件。还提出铁素体不锈钢，如ALFA- II^TM合金、E-BRITE^合金和AL 453^TM合金用于PSOFC的互联件。表I提 供用于前述镍-基和不锈钢合金的标称组成，所有这些都可以从 Pennsylvania，Pittsburgh，Allegheny Ludlum公司获得。

表I

在通常用于电流发生的SOFC的操作温度下，靠近SOFC阳极的氧分压 (或“pO₂”)一般低于通常用作电导体的各种金属(例如，铜和镍)形成氧化物 所必须的pO₂。然而，靠近SOFC阴极的pO₂一般高于氧化物形成所必须的 pO₂。因此，当暴露于接近SOFC阴极的氧化剂时，在这些金属制成的互联 件上易于形成表面氧化物层。

因为通常金属形成氧化物，或者在PSOFC典型的操作温度下具有高电 阻率，或者随着时间迅速增厚、金属互联件的面积比阻(或“ASR”)以及引 入PSOFC叠片组的电阻率，易于在PSOFC的操作过程中随时间增加。例 如，某些合金，当暴露于高温氧气中时，形成表面氧化物，或以特慢速度 增厚(例如，ALFA-II合金的Al₂O₃氧化皮)，或者是高导电性的(例如，纯 的NiO氧化皮或分散-强化镍)。然而，控制这两种看上去不同的因素(氧化 物形成的电阻率和速率)的基础机理基本上是相同的(氧化物的电缺陷结 构)。因此，既能缓慢生长又能导电的金属氧化物几乎很少。

不锈钢作为潜在的互联件材料已引起兴趣，部分地是因为其以常规形 式产生一种主要由铬氧化物(Cr₂O₃)组成的氧化皮。这种氧化皮生长较慢而 且在典型的、电流发生的SOFC操作温度下有适当的导电性。尤其是铁素 体不锈钢具有某些能使它们有利地用于PSOFC互联件的性能，包括低成本、 良好的可制造性以及与陶瓷相容的CTE。除此之外，在PSOFC操作过程中， 不锈钢互联件的氧化作用随着时间可导致PSOFC的电性能不合乎需要的降 低。

在应用PSOFC的场合下，采用不锈钢的另一种潜在缺点是多孔电极“中 毒”，特别是SOFCs中使用的阴极，因为在操作过程中特别是在有水和氢的 情况下，可在不锈钢表面上的富-铬氧化皮释放承载铬的蒸汽物。因为水蒸 气经常在操作的PSOFC气流中存在，所以，在较低的温度下，加重形成挥 发性羟基氧化铬(例如，CrO₂(OH)₂)。另外，在PSOFC的操作过程中可能产 生铬从互联件向邻接的阴极进行固态扩散，而且有助于阴极的中毒。尽管 在不锈钢互联件的表面上，锰-铬酸盐尖晶石层的形成，在PSOFC操作过程 中可以降低这种铬迁移(例如，释放承载铬的蒸气物和/或铬的固态扩散)， 假如在互联件的表面上有足够的铬存在，仍可能发生导致阴极中毒的铬迁 移。

已经为SOFC互联件提出了各种各样的结构。例如，U.S.专利No. 6326096公开了一种用于固体氧化物燃料电池的互联件，其具有以面对阳极 面、面对阴极面的超级合金金属层和在面对阳极面上的金属层，其优选为 镍或铜(见摘要)。公开的超级合金包括Inconel^合金、Haynes^合金、 Hastelloy^合金以及奥氏体不锈钢(见第4栏，第60～63行)。

U.S.专利No.4781996公开了一种叠加在燃料电池阳极和阴极各方背表 面上的隔板，它是由含有约25～60％镍的含镍铁合金制造的，以使得隔板 的线性膨胀系数与电解质板的膨胀系数相匹配(见第3栏，第18～27行)。 此外，使一种抗氧化的处理材料与隔板的阴极侧相结合而一种耐碱腐蚀处 理的材料是与隔板的阳极侧面相结合(见第4栏，第24～29行)。

U.S.专利No.5227256公开了一种燃料电池用的双金属隔板，其中不锈 钢可用在阴极面上，而镍或铜可用在阳极面上(见第11栏，第34～38行)。 此外，镍或铜可以是隔板厚度的约10％(见第1栏，第38～40行)。特别公 开的是300系列不锈钢合金(见第11栏，第40～42行)。

U.S.专利No.5733683公开了一种用于高温燃料电池的金属双极板，该 板具有一种有适于接触燃料电池电极的表面的主体和具有封闭气体的器壁 的通道。板的主体是由在表面上可氧化形成氧化铬的含铬合金组成的，该 合金至少在直接与气体接触的器壁区域内富含铝(见摘要)。铝的富集可以使 用常规铝扩散方法完成，其中所述板涂有一层惰性材料(如Al₂O₃)的粉末混 合物、氯化物/氟化物活化剂(如NaCl)以及铝粉，并暴露于氩气中的600℃～ 1300℃下，或者使用CVD或PVD涂布(见第3栏，第43～57行)。之后， 其中不要求铝富集的所述板的表面(例如电接触表面)，经过研磨以除去材料 的富集层。为了调节研磨，板的主体要超过定尺寸以估算除去的材料(见第 3栏，第57～62行)。

加拿大专利No.2240270公开了一种由氧化铬-形成合金所组成的双极 性板，其具有电绝缘性、气体导向表面区域内的腐蚀减少层以及在电极接 触表面区域内的钴、镍或铁富集层(见摘要)。如上所述有关U.S.专利号 5733683，研磨是需要的以除去电极接触表面的电绝缘层；因此，所述板应 超过定尺寸以估算除去的材料(见第8页，第10～15行)。

U.S.专利公开2003/0059335公开了一种由形成铁合金的氧化铬组成的 高温材料，所述铁合金包含12～28wt％的铬，0.01～0.4wt％的La，0.2～ 1.0wt％的Mn，0.1～0.4wt％的Ti，低于0.2wt％的硅，以及低于0.2wt％的 Al，其中在700℃～950℃的温度下所述材料形成MnCr₂O₄尖晶石相并且该 材料能用于形成SOFC用的双极性板(见摘要和段落[0032])。

还存在一种对具有氧化性能的SOFCs用的互联件的需要，所述氧化性 能要满足在PSOFC的操作过程中通过互联件经受的环境条件，其包括不需 要高温处理，超过定量尺寸或使用昂贵的超级合金来达到所需的性能，以 及有它们掺入的PSOFCs的改良电性能。此外，目前存在有在组成上要满足 SOFC环境的铁素体不锈钢的需求以及由此加工制造出所述的互联件。

实施方案

本发明公开的各种非限制性实施方案涉及固体氧化物燃料电池用的互 联件。例如，一个非限制性实施方案涉及固体氧化物燃料电池用的互联件， 其包括一种气体-不渗透体、气体-不渗透体是铁素体不锈钢制成的，并且包 括(a)含有通道和气流通路的燃料侧，和(b)燃料侧对面的氧化剂侧，氧化剂 侧包含通道和气流通路；其中，在固体氧化物燃料电池的操作过程中，形 成具有离解压大于接近互联件燃料侧氧分压的氧化物的金属材料，其在所 述气体-不渗透体的燃料侧上与至少部分铁素体不锈钢连接。

另一非限制性实施方案涉及一种用于包含复合体的固体氧化物燃料电 池的互联件，所述复合体包含(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧；和(b)在氧 化剂侧对面的燃料侧，燃料侧是由一种在固体氧化物燃料电池的操作过程 中形成具有离解压大于接近互联件燃料侧氧分压的氧化物的金属材料制成 的。

另一非限制性实施方案涉及一种用于含气体-不渗透体的固体氧化物 燃料电池的互联件，该气体-不渗透体是铁素体不锈钢制成的，所述铁素体 不锈钢含有，按重量％计，0～低于0.1的铝，0～低于0.1的硅，21～35的 铬，大于1～2的锰，0.002～0.1的碳，0～0.04的氮，0～1的钼，0～0.5 的镍，0～0.05的镧，0～0.1的铈，0～0.1的锆，0～0.5的钛，0～0.1的钽， 0～0.2的铌，铁和杂质，并且包括(a)燃料侧，其包含通道和气流通路；和(b) 在燃料侧对面的氧化剂侧，氧化剂侧包含通道和气流通路，其中，在固体 氧化物燃料电池的操作过程中，形成一种具有离解压大于接近互联件燃料 侧氧分压的氧化物的金属材料，在所述气体-不渗透体的燃料侧上，该金属 材料与至少部分铁素体不锈钢连接。

另一非限制性实施方案涉及用于含复合体的固体氧化物燃料电池的互 联件，该复合体包含(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧，该铁素体不锈钢含 有，按重量％计，0～低于0.1的铝，0～低于0.1的硅，21～35的铬，大于 1～2的锰，0.002～0.1的碳，0～0.04的氮，0～1的钼，0～0.5的镍，0～ 0.05的镧，0～0.1的铈，0～0.1的锆，0～0.5的钛，0～0.1的钽，0～0.2 的铌，铁和杂质，和(b)在氧化剂侧对面的燃料侧，燃料侧是由一种在固体 氧化物燃料电池的操作过程中形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面氧 分压的氧化物的金属材料制成的。

再有另一个非限制性实施方案涉及用于含有气体-不渗透体的固体氧 化物燃料电池的互联件，该气体-不渗透体是铁素体不锈钢制成的，该铁素 体不锈钢含有，按重量％计，0～0.05的铝，0～0.05的硅，23～27的铬， 大于1～2的锰，0.002～0.1的碳，0～0.04的氮，0.75～1的钼，0～0.3的 镍，0～0.05的镧，0～0.1的铈，0～0.05的锆，钛、钽和铌中至少一种的 含量，其中钛、钽和铌的含量满足方程式0.4重量％≤[％Nb+％Ti+1/2(％Ta)] ≤1重量％，铁和杂质；和包括(a)包括通道和气流通路的燃料侧，和(b)在燃 料侧对面的氧化剂侧，氧化剂侧包括通道和气流通路，其中，在固体氧化 物燃料电池的操作过程中，形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面氧分 压的氧化物的金属材料在所述气体-不渗透体的燃料侧上，与至少部分铁素 体不锈钢连接。

还有另一个非限制性实施方案涉及用于含有复合体的固体氧化物燃料 电池的互联件，该复合体包括(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧，该铁素体 不锈钢含有，按重量％计，0～0.05的铝，0～0.05的硅，23～27的铬，大 于1～2的锰，0.002～0.1的碳，0～0.04的氮，0.75～1的钼，0～0.3的镍， 0～0.05的镧，0～0.1的铈，0～0.05的锆，钛、钽和铌中的至少一种的含 量，其中钛、钽和铌的含量满足方程式0.4重量％≤[％Nb+％Ti+1/2(％Ta)] ≤1重量％，铁和杂质；和(b)在氧化剂侧对面的燃料侧面，燃料侧是由一种 在固体氧化物燃料电池的操作过程中形成具有离解压大于接近互联件燃料 侧氧分压的氧化物的金属材料制成的。

另一非-限制性实施方案涉及一种用于含有铁素体不锈钢制成的物体 的固体氧化物燃料电池的互联件，并包括(a)燃料侧，和(b)在燃料侧对面的 氧化剂侧，其中在固体氧化物燃料电池的操作过程中形成具有离解压大于 接近互联件燃料侧氧分压的氧化物的一种金属材料在所述物体的燃料侧上 与至少部分铁素体不锈钢相连接，而镍-基超级合金在所述物体的氧化剂侧 上与至少部分铁素体不锈钢连接。

另一非限制性实施方案涉及用于含有复合体的固体氧化物燃料电池的 互联件，该复合体包括(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧，和(b)氧化剂侧对 面的燃料侧，燃料侧是由一种在固体氧化物燃料电池的操作过程中形成具 有离解压大于接近互联件燃料侧氧分压的氧化物的金属材料制成的，其中 镍-基超级合金在互联件的氧化剂侧上，与至少部分铁素体不锈钢连接。

另一个非限制性实施方案涉及一种固体氧化物燃料电池用的互联件制 造方法。例如，一个非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，该互联件 包括(a)金属材料与至少部分铁素体不锈钢连接，金属材料是镍或镍合金、 铜或铜合金或镍-铜合金；和(b)由铁素体不锈钢形成互联件。

另一非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，该互联件包括(a)把金 属材料包覆在至少部分铁素体不锈钢板材上，金属材料是镍或镍合金、铜 或铜合金或镍-铜合金；和(b)由包层铁素体不锈钢板材形成互联件。

另一非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，该互联件包括(a)由铁 素体不锈钢板材形成互联件；和(b)在互联件的至少一个表面上的至少部分 上电镀金属材料，所述金属材料是镍或镍合金、铜或铜合金或镍-铜合金。

一种非限制性实施方案涉及一种用于固体氧化物燃料电池的互联件， 包括：(a)至少一个通道，其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其 至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，和(b)至少一种气流通 路，在其经受温度至少在650℃下的氧化性气氛处理时，在其至少部分表面 上产生富-铝氧化皮，富-铝氧化皮包含铁和铬并具有赤铁矿的结构；互联件 是铁素体不锈钢制成的，铁素体不锈钢含有0.2～4重量％的锰，0.3～1重 量％的铝和至少一种稀土元素，条件是铁素体不锈钢含有总量为至少0.03 重量％的稀土元素。

另一非限制性实施方案涉及用于一种固体氧化物燃料电池的互联件， 包括：(a)至少一个通道，其包含在至少部分表面上，一种含锰-铬酸盐尖晶 石的氧化皮；和(b)至少一个气流通路，其在至少部分表面上包含一种含铁 和铬的富-铝氧化皮并具有赤铁矿的结构，富-铝氧化皮具有低于5微米的厚 度；互联件为铁素体不锈钢制成，该铁素体不锈钢含有0.2～4重量％的锰， 0.3～1重量％的铝和至少一种稀土元素，条件是铁素体不锈钢含有总量为至 少0.03重量％的稀土元素。

还有另一个非限制性实施方案涉及一种用于固体氧化物燃料电池的互 联件，包括：(a)至少一个通道，其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时， 在其至少部分表面上，产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮；和(b)至少一个气 流通路，其包含至少一个电抛光表面；互联件是铁素体不锈钢制成的。

还有另一非限制性实施方案涉及一种用于固体氧化物燃料电池的互联 件，包括：(a)燃料侧；和(b)在燃料侧对面的氧化剂侧，该氧化剂侧包括(1) 至少一个通道，其在经受温度至少650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表 面上，产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮；和(2)至少一个气流通路，其在经 受温度至少650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表面上，产生富-铝氧化 皮，富-铝氧化皮含铁和铬并具有赤铁矿的结构，其中互联件的氧化剂侧是 铁素体不锈钢制成的，该铁素体不锈钢包含0.2～4重量％的锰，0.3～1重 量％的铝和至少一种稀土元素，条件是铁素体不锈钢含有总量为至少0.03 重量％的稀土元素。

另一非限制性实施方案涉及用于一种固体氧化物燃料电池的互联件， 该互联件包括：(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧，并且包括(1)至少一个通 道，和(2)至少一个气流通路，其包含至少一个表面在其经受温度至少为650 ℃的氧化性气氛时，产生富-铝氧化皮，该富-铝氧化皮含铁和铬并具有赤铁 矿的结构；和(b)在氧化剂侧对面的燃料侧，该燃料侧包含一种在固体氧化 物燃料电池的操作过程中，形成具有离解压大于接近互联件燃料侧氧分压 的氧化物的金属材料。

另一非限制性实施方案涉及一种用于固体氧化物燃料电池的互联件， 该互联件包括：(a)铁素体不锈钢制成的氧化剂侧，并包括(1)至少一个通道， 其包含在其至少部分表面上含有铬氧化物和锰-铬酸盐尖晶石中至少一种的 氧化皮，和(2)至少一个气流通路，其在其至少部分表面上含有富-铝氧化皮， 该富-铝氧化皮含铁和铬，并具有赤铁矿的结构；和(b)在氧化剂侧对面的燃 料侧，燃料侧包含一种在操作固体氧化燃料电池的过程中形成一种具有离 解压大于接近互联件燃料侧氧分压的氧化物的金属材料。

另一非限制性实施方案涉及固体氧化物燃料电池使用的互联件的制造 方法。例如，一种非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，包括：(a)由 铁素体不锈钢制成互联件，该互联件具有燃料侧和在燃料侧对面的氧化剂 侧，氧化剂侧和燃料侧的每一个包括通道和气流通路；和(b)把互联件的氧 化剂侧的至少一个气流通路的至少部分，进行选择性电抛光。

另一非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，包括：(a)由铁素体不 锈钢形成互联件，该互联件包括一通道和一气流通道；(b)互联件的至少氧 化剂侧，进行电抛光；和(c)用物理或化学方法，从互联件的氧化剂侧的至 少一个通道的至少一个电抛光表面上除去材料。

还有另一个非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，包括：(a)在铁 素体不锈钢板材的至少部分表面上连接一种金属材料，该金属材料是镍或 镍合金、铜或铜合金或镍-铜合金；(b)铁素体不锈钢板材制成互联件，该互 联件具有含铁素体不锈钢的氧化剂侧和含金属材料的氧化剂侧对面的燃料 侧，互联件的氧化剂侧和燃料侧各含有通道和气流通道；和(c)互联件的氧 化剂侧至少一个气流通路的至少部分进行电抛光。

再有另一个非限制性实施方案涉及制造互联件的方法，包括：(a)由铁 素体不锈钢板材制成互联件，该互联件具有氧化剂侧和在氧化剂侧对面的 燃料侧，互联件的氧化剂侧和燃料侧各包含一通道和一气流通路；(b)互联 件氧化剂侧的至少一个气流通路的至少部分加以电抛光；和(c)连接金属材 料至互联件的燃料侧的至少部分表面上，该金属材料是镍或镍合金、铜或 铜合金或镍-铜合金。

其他非限制性实施方案涉及平面固体氧化物燃料电池，该电池包括按 照本发明在此公开的各种非限制性实施方案的互联件。

本发明在此公开的各种非限制性实施方案涉及铁素体不锈钢，其包含： 按重量计，0～低于0.1的铝，0～低于0.1的硅，21～35的铬，大于1～2 的锰，0.002～0.1的碳，0～0.04的氮，0～1的钼，0～0.5的镍，0～0.05 的镧，0～0.1的铈，0～0.1的锆，0～0.5的钛，0～0.1的钽，0～0.2的铌， 铁和杂质。

另一个非限制性实施方案涉及铁素体不锈钢，该钢含有：按重量％计， 0～0.05的铝，0～0.05的硅，21～24的铬，大于1～2的锰，0.002～0.1的 碳，0～0.04的氮，0～1的钼，0～0.3的镍，0.02～0.04的镧，0～0.1的锆， 0～0.1的钛，0～0.1的钽，0～0.1的铌，铈、铁和杂质，其中重量％的铈和 重量％的镧的总量范围为0.03～0.06。

再有另一个非-限制性实施方案涉及铁素体不锈，该钢含有：按重量％ 计，0～0.05的铝，0～0.05的硅，23～27的铬，大于1～2的锰，0.002～ 0.1的碳，0～0.04的氮，0～1的钼，0～0.3的镍，0～0.05的镧，0～0.1的 铈，0～0.1的锆，0～0.5的钛，0～0.1的钽，0.05～0.2的铌，铁和杂质。

还有另一个非-限制性实施方案涉及铁素体不锈钢，该钢含有：按重量 ％计，0～0.05的铝，0～0.05的硅，23～27的铬，大于1～2的锰，0.002～ 0.1的碳，0～0.04的氮，0.75～1的钼，0～0.3的镍，0～0.05的镧，0～0.1 的铈，0～0.05的锆，钛、钽和铌中至少一种的含量，其中钛、钽和铌的含 量应满足方程式：

0.4重量％≤[％Nb+％Ti+1/2(％Ta)]≤1重量％， 铁和杂质。

另一个非限制性实施方案涉及使用本发明公开的铁素体不锈钢制造的 SOFCs和PSOFC用的互联件。

附图中若干视图的简述

当结合附图阅读时，可以更好地理解各种非限制性实施方案。

图1是用于SOFCs的互联件的示意透视图；

图2是包括互联件的PSOFC的示意、透视图；

图3a、3b和3c是按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件 的示意、剖面图；

图4是说明在常规PSOFC中氧分压的变化对各种燃料利用量的操作温 度的关系曲线；

图5是Ellingham图，在图上能一般表明在操作典型的平面固体氧化物 燃料电池的过程中，接近互联件燃料侧的某些操作条件(即，温度和pO2)；

图6是若干材料的热膨胀系数的图表；

图7是对两种不同的铁素体不锈钢样品，其单位表面积重量随时间变 化的曲线，其中之一是电抛光过的而其中另一是未经电抛光的；

图8a是已电抛光并其中部分随后予以磨光的铁素体不锈钢表面的次级 电子图象；

图8b-e是分别从示于图8a中相同面积获得的铬、铁、铝和锰的特征性 X-射线图。

本发明实施方案的描述

当用于本说明书和所附的权利要求书中时，冠词“a”、“an”和“the” 包括复数，除非特别和明确地限于一个对象。另外，对于本说明书来说， 除非另有指示，否则所有表达量的数字，如重量％和工艺参数，以及用于本 说明书的其它性能或参数都要理解成通过术语“约”在所有场合下的修饰。 此外，除非另有指示，应当理解示于以下说明书和所附权利要求书中的数 字参数是近似值。最低限度，不作为对于权利要求范围的等同物原则使用 的企图，应当以报道的有效位数的数字和使用通常的修正技术的观点，阅 读数字参数。

此外，如上所述，当本发明宽范围列出的数字范围和参数是近似值时， 在实施例部分列出的数值以尽可能精确地报导。但是，应当理解所述数值 固有地包含因测量装置和/或测量技术所引起的某些错误。

如上所述，不锈钢尤其是铁素体不锈钢，已被认为是用于SOFC互联 件的可作为成本-有效取代材料。然而，与操作SOFC的阳极和阴极的接近 的环境条件，可能会引起大部分含铁-铬(“Fe-Cr”)不锈钢发生氧化作用。 因为氧化的互联件，通常是一种比未氧化的互联件更差的电流导体，所以， 燃料电池叠片组作为整体的效率，随着燃料电池内互联件的氧化皮厚度的 增加，随着时间可能下降。产生电流的金属互联件的固有限制，把有效的 SOFC和PSOFC设计限制到相当低效的，低温操作(大约700℃(1292))， 以防止互联件表面上的过度氧化。

当用于本发明中时，术语“互联件”指的是一种连接(电和/或机械)一 种组件到另一种组件的的装置。此外，尽管不需要，但按照本发明公开的 各种非限制性实施方案的互联件也同样地在SOFC的操作过程中对使所用 的气体反应物流，起到分离和/或引导的作用。例如，如前所述，在PSOFC 中直接相邻的SOFCs，一般是通过互联件而彼此连接，该互联件置于在一 个SOFC的阴极和直接相邻SOFC的阳极之间，在SOFCs之间提供电互联， 并且对气体反应物的气流起到分离和引导的作用。按照本发明在此处所公 开的各种非限制性实施方案的互联件也可以用于一个PSOFC的SOFC与另 一个PSOFC的SOFC的连接。例如，按照本发明在此处公开的各种非限制 性实施方案的互联件，可以形成PSOFC的“端板”以及能用于PSOFC与 邻近的PSOFC的电学和/或机械的连接，或换句话说，连接到体系中的另一 个组件。

现参照图1，其示出互联件的示意透视图(一般如图1中10所示)该互 联件具有适于发生电流的PSOFCs中的典型构型。据本技术领域的熟练工作 人员的理解，互联件的精确设计取决于PSOFC和所涉及的各个SOFCs的设 计。因此，图1所示互联件的构型，不是用来限制根据本发明的互联件的 可能构型，而仅为举例说明的目的提出。如图1所示，互联件10具有第一 侧面14和在第一侧对面的第二侧16。第一和第二两个侧面至少具有一个气 流通路18和至少一个通道20。当用于本发明中时，术语“通道”指的是电 传导的路线。当位于两个相邻SOFC之间的PSOFC中时，互联件一个侧面 上的通道与叠片组内SOFCs之一的电极电接触，而互联件相反一侧上的通 道与叠片组内的邻近的SOFC的一个相反电荷的电极电接触，使得来自一 个SOFC的电流流向下一个。例如，如图2所示，使PSOFC的互联件210(一 般表示为211)这样放置以使互联件210的侧面214上的通道220a靠近一个 SOFC的阴极222(一般表示为223)，而在互联件210的侧面216上的通道 220b靠近叠片组内临近SOFC的临近阳极224(一般表示为225)。如图2所 示，SOFC 223包括阴极222，电解质230和阳极232，而SOFC225包括阳 极224，电解质234和阴极236。

再继续参考图2，在PSOFC的操作过程中，气体流经互联件210两侧 (214、216)上的气流通路218a、218b。气体流经互联件210的216侧的气流 通路218，该互联件210靠近阳极224，该气体流是富燃料的气体，例如富 氢气体；而流经靠近阴极222侧面214上的气流通路218的气体是富氧化 剂气体，典型的是空气。因此，在PSOFC操作过程中，互联件210的侧面 214暴露于阴极222附近的富氧环境中，并且，在PSOFC操作过程中，侧 面216暴露于阳极224附近的富燃料环境中。当用于本发明中时，在互联 件这方面，术语“氧化剂侧”是指互联件的侧，该侧在其插入的PSOFC的 操作过程中，其是邻接或将邻接SOFC的阴极，例如，图2中的侧面214。 此外，当用于本发明中时，在互联件这方面，术语“燃料侧”是指互联件 的侧，该侧在其插入的PSOFC中的操作过程中是邻接或将邻接SOFC的阳 极，例如，图2中侧面216。

现在将对按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件予以说 明。一个非限制性实施方案提供用于SOFCs的互联件，其由铁素体不锈钢 制成，并包括至少一个通道，其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时， 在其至少部分表面上产生含有锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，和至少一个气流 通路其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表面上产生 富铝氧化皮，该富铝氧化皮含铁和铬并具有赤铁矿的结构。当用于本发明 中时，术语“氧化皮”是指材料表面上的氧化产物。

如前所述，认为铁素体不锈钢用于SOFC互联件，很大程度是由于当 暴露于氧化性气氛时，他们能形成导电性的、富铬氧化皮(如在SOFC操作 过程中所见)及其较低的CTEs。然而，铁素体不锈钢用于SOFC互联件场合 中的一个缺点是，多孔电极的中毒潜力，尤其是用于SOFC的阴极，这由 于铬从在SOFC的操作过程中形成的富铬氧化皮迁移(例如，承载铬的蒸气 物质的释放和/或固态铬的扩散)。如前所述，由于水蒸气经常存在于操作 SOFC的气流中，挥发性的羟基氧化铬的形成，特别是在互联件的气流通路 中，可加重这个问题。

与富铬氧化皮相反，富铝氧化皮基本上不受操作SOFC的气流中存在 的水蒸气影响。此外，富铝氧化皮在铁素体不锈钢表面上的形成，在SOFC 的操作过程中可降低或阻止铬从铁素体不锈钢的表面迁移。然而，由于富 铝氧化皮具有高的电阻率，富铝氧化皮在电接触表面上(例如，通道表面) 的形成通常是不希望的。尽管含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，可在一些不锈 钢的表面上形成，并且是合理的优良导电体，但如前所述，假若在氧化皮 中存在有足够的铬，则导致阴极中毒的铬迁移仍有可能出现。

尽管无意受任何特殊理论的束缚，但是可以预料，通过选择性地处理 至少按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件气流通路的表面， 以使得富铝氧化皮在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时，可在至少部分 处理过的表面上形成，可以降低铬从那些表面的迁移而不会有害地影响互 联件的ASR。这就是说，因为气流通路的表面不与临近的电极(例如，如图 2所示)直接电接触，所以富铝氧化皮在气流通路表面上的形成不会有害地 影响互联件的ASR。然而，由于最易形成承载铬的蒸气物质的互联件区域 是气流通路，部分原因是流经气体的高水蒸汽含量，所以可以预料在SOFC 的操作过程中，富铝氧化皮在这些表面上的形成，可以降低来自这些表面 的承载铬的蒸气物质的形成量和/或速度，其也可以减少阴极中毒的出现。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案，其中气流通路，包括：在 经受温度至少为650℃下的氧化性气氛时，至少一个表面产生富铝氧化皮， 互联件可以由含足够合金量的Fe-Cr铁素体不锈钢制成，以允许富铝氧化皮 的形成。例如，按照各种非限制性实施方案，互联件可以由铁素体不锈钢 制成，该铁素体不锈钢含有0.3～1重量％的铝，和至少一种稀土元素(诸如， 但不限于，铈、镧和镨)，条件是铁素体不锈钢总量为至少0.03重量％的稀 土元素。此外，为了在至少部分通道的表面上形成含锰铬酸盐尖晶石的氧 化皮，(如上所述)，按照各种非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以进一步 含有0.2～4重量％的锰。

一种铁素体不锈钢的特定非限制性实施例中的铁素体不锈钢，含有 0.2～4重量％的锰，0.3～1重量％的铝和至少0.03重量％的稀土元素，其可 与本发明在这里公开的各种非限制性实施方案组合使用，其是一种含有 0.002～0.1重量％的碳，21～35重量％的铬，0.2～4重量％的锰，0.3～0.5 重量％的铝，0～0.05重量％的镧，0～0.1重量％的铈，和铁以及杂质的铁 素体不锈钢，条件是重量％镧和重量％铈的总量为至少0.03。

铁素体不锈钢的另一非限制性实施例含有0.2～4重量％的锰，0.3～1 重量％的铝和至少0.03重量％的稀土元素，其可与本发明在此公开的各种非 限制性实施方案组合使用，它是一种铁素体不锈钢，该铁素体不锈钢含有 0.002～0.1重量％的碳，0～0.03重量％的氮，21～24重量％的铬，0～0.3 重量％的镍，0～0.4重量％的钼，0.2～0.5重量％的锰，0.5～0.8重量％的铝， 0～0.5重量％的硅，0～0.02重量％的铌，0～0.01重量％的钛，0.008～0.02 重量％的镧，铈，铁和杂质，其中重量％镧和重量％铈的总量范围从0.03～ 0.06重量％。一种商业上可得到的这种铁素体不锈钢的非限制性实施例是 AL 453^TM铁素体不锈钢合金，它能从PA，Pittsburgh的Allegheny Ludlum公 司获得。

另外，正如下面将更详细地讨论，假若互联件仅有一个侧面(例如氧化 剂侧)包括一种含有至少一个表面的气流通路其在经受温度至少在650℃的 氧化性气氛时，产生富铝氧化皮，互联件的该侧面或部分，可由具有足够 合金含量的铁素体不锈钢形成，以使形成富铝氧化皮，而互联件的另一个 相反侧面(如燃料侧面)，可以由含低于0.3重量％铝的铁素体不锈钢制成。 含低于0.3重量％铝的铁素体不锈钢的非限制性实施例将更加详细地陈述如 下。

如前所述，按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件，可以 包括至少一个气流通路其在经历温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其至 少部分表面上产生富铝氧化皮。此外，根据各种非限制性实施方案，富-铝 氧化皮可含铁和铬。更特别地，根据本发明公开的各种非限制性实施方案， 富铝氧化皮可含铝、铁、铬和氧(其中至少部分铁和铬阳离子置换氧化铝晶 格结构中的部分铝阳离子，并且可具有赤铁矿结构)。更具体地说，赤铁矿 结构可具有晶格参数a₀和c₀，其中a₀的范围在4.95埃()(即，10^-10m)～5.04 埃之间，而c₀的范围在13.58～13.75之间。

与Fe-Cr-Al铁素体不锈钢相反，该不锈钢典型地含有3重量％～7重量 ％的铝，通常的Fe-Cr铁素体不锈钢，当氧化时，在其表面上不产生富铝氧 化皮。也就是说，通常当典型的Fr-Cr铁素体不锈钢，其仅含剩余量的铝(例 如，0.3～0.5重量％)，暴露于氧化性气氛时，Fe-Cr铁素体不锈钢在其表面 上易于形成富铬氧化皮。此外，取决于铁素体不锈钢的组成，在至少部分 铁素体不锈钢上，可形成含有锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮。然而，本发明的 发明者们发现通过电抛光的某些含铝量的Fe-Cr铁素体不锈钢，该含铝量在 氧化过程中，在其表面上不足以产生天然富铝氧化皮，当其暴露于温度至 少在650℃的氧化性气氛时，可以在Fe-Cr铁素体不锈钢上产生富铝氧化皮。

此外，本发明的发明者们发现，例如，通过从电抛光表面除去材料， Fe-Cr铁素体不锈钢的电抛光效果可能会降低或消失。因此，当暴露于温度 至少在650℃的氧化性气氛时，那些没有经电抛光或不能从此排除电抛光效 果的铁素体不锈钢区域，可以在其表面上产生含富铬氧化物和/或锰-铬酸盐 尖晶石的氧化皮。

例如，尽管本发明没有限制，但据本发明者们观察，在电抛光后，含 0.3～1重量％的铝和至少0.03重量％的稀土元素(多种)的Fe-Cr铁素体不锈 钢，在暴露于氧化性条件下时(如在PSOFC操作过程中所见到的那些)可以 形成富铝氧化皮。此外，如上所述，尽管富铝氧化皮在互联件的某些区域 的形成，由于铬从这些区域的迁移有利地降低阴极中毒的速度，但是由于 富铝氧化皮具有高的电阻率，所以在互联件通道表面上存在这样的氧化皮 时，可导致互联件ASR的提高和电性能的降低。因此，按照本发明公开的 某些非限制性实施方案，可以处理互联件以使富铝氧化皮在互联件的某些 表面上形成，诸如，但不限于此，气流通路的表面、集流管表面和/或密封 法兰表面，同时可以阻止富铝氧化皮在其它表面上形成，如通道表面。例 如，一种非限制性实施方案为SOFCs提供互联件，由铁素体不锈钢形成互 联件并包括至少一个通道其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其 至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，和至少一个包含至少一 个电抛光表面的气流通路。当用于本发明中时，术语“集流管”指的是连 结在互联件的氧化剂侧和燃料侧上的气流通路，分别到空气和燃料气供应 的互联件部分(多种)。此外，当用于本发明中时，术语“密封法兰”指的是 互联件的部分，通常施加密封化合物如，但不限于，碱性玻璃于互联件部 分，一般是互联件的外周长上以产生PSOFC气密性密封。

在另一个非限制性实施方案中，互联件的密封法兰的表面还可电抛光， 以降低铬从这些表面迁移，并在密封区提供电绝缘表面。尽管不限于此， 但是可以预料，借助于在互联件的密封法兰的电绝缘性表面上提供各种密 封化合物，可以采用电绝缘和导电性的密封化合物两种。

当用于本发明中时，术语“电抛光”和“电抛光的”指的是，从至少 部分工作件中用电化学除去材料。例如，按照一个非限制性实施方案，使 整个互联件进行电抛光，之后，对电抛光过的互联件的选择性表面(例如， 通道表面)可采用机械方法或化学方法进行抛光、研磨、蚀刻和/或磨细，以 去掉或磨掉选择性表面上的材料，借此降低或消除电抛光对那些表面的作 用(如上所讨论的)。

按照另一个非限制性实施方案，互联件可经受选择性电抛光处理以致 用电化学方法从至少部分气流通路表面除去材料，而用电化学方法从通道 表面基本上没有材料除去。当用于本发明中时，术语“选择性电抛光”指 的是，从工件的一个或多个预选部分或区域电化学除去材料。此外，当用 于本发明中时，有关互联件的各种部分，术语“选择性电抛光的”指的是， 用电化学方法除去材料的互联件的预选部分。选择性电抛光的方法将更加 详细地在下文予以讨论。

如上所述，在SOFC的操作过程中，按照本发明公开的各种非限制性 实施方案的铁素体不锈钢互联件，将经受氧化作用，以使互联件包含在至 少一个通道的至少部分表面上的含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮和在至少一个 气流通路的至少部分表面上的富-铝氧化皮。这些各种各样的氧化皮厚度取 决于若干因素，例如钢的组成、暴露时间、操作温度、湿度和气体组分。 尽管在本发明中不作限制，但按照某些实施方案，包含锰-铬酸盐尖晶石的 氧化皮可具有低于10微米的厚度，而富铝氧化皮可具有低于5微米的厚度。 此外，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，富铝氧化皮的厚度范围 是1微米～低于5微米，进一步的范围是2微米～3微米。

本发明公开的其它非限制性实施方案为SOFCs提供互联件，该互联件 包括燃料侧和在燃料侧对面的氧化剂侧，互联件的氧化剂侧是由铁素体不 锈钢制成，并且包括至少一个通道其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛 时，在其至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮以及至少一个气 流通路当其经受温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表面上产 生富-铝氧化皮，该富铝氧化皮含铁和铬，并具有赤铁矿的结构。例如，按 照该非限制性实施方案，互联件的至少氧化剂侧可由铁素体不锈钢制成， 该铁素体不锈钢含有0.2～4.0重量％的锰，0.3～1.0重量％的铝，以及至少 0.03重量％的稀土元素(多种)总量。此外，按照该非限制性实施方案，使互 联件的氧化剂侧气流通路的至少一个表面的至少部分可进行电抛光或选择 性电抛光。

如前所讨论的，SOFCs中使用的典型的互联件，具有燃料侧和氧化剂 侧，其中的每一侧包含在PSOFC中的相邻SOFCs之间，允许电荷流动的通 道以及气流通路，其在互联件的任何一个侧面上提供输送气体的通道。这 样，按照本发明公开的这个和其他的非限制性实施方案，互联件的燃料侧， 可由铁素体不锈钢制成，并且可包括至少一个气流通路其包含至少一个在 经受温度至少为650℃的氧化性气氛时产生富-铝氧化皮的表面。例如，按 照该非限制性实施方案，互联件的燃料侧可以由铁素体不锈钢制成，该铁 素体不锈钢含有0.2～4.0重量％的锰，0.3～1重量％的铝和总数为至少0.03 重量％的一种或多种稀土元素。此外，按照该非限制性实施方案，使燃料侧 的至少一个气流通路的至少部分进行电抛光或选择性电抛光。因此，按照 该非限制性实施方案，互联件的燃料侧可以包括至少一个通道，当暴露于 温度至少为650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表面上产生含锰-铬酸盐 尖晶石的氧化皮。

或者，按照本发明公开的这个和其他非限制性实施方案，互联件的燃 料侧可由铁素体不锈钢制成(所述铁素体不锈钢可与形成互联件氧化剂侧的 铁素体不锈钢相同或不同)并且可包含一种含金属材料的层，该金属材料层 与至少部分铁素体不锈钢连接，在SOFC的操作过程中，该金属材料形成 一种离解压大于接近互联件燃料侧氧分压的氧化物(例如，如图3a所示，下 面将更详细地加以讨论)。更进一步，按照公开的这个和其他的非限制性实 施方案，互联件的燃料侧可由一种在SOFC的操作过程中形成具有离解压 大于接近互联件燃料侧面氧分压的氧化物的金属材料制成，并且连接到互 联件氧化剂侧(例如，如图3b所示，下面将更详细地讨论)。

例如，一个非限制性实施方案为SOFCs提供互联件，该互联件包含由 铁素体不锈钢制成的氧化剂侧并含有一通道(它在经受温度至少为650℃的 氧化性气氛时在其至少部分表面上产生含氧化铬和锰-铬酸盐中至少一种的 氧化皮)，以及一气流通路，该气流通路包含至少一个表面在其经受温度至 少为650℃的氧化性气氛时产生富-铝氧化皮，和在氧化剂侧对面的燃料侧， 该燃料侧面包括含一种金属材料，其在SOFCs的操作过程中形成具有离解 压大于接近互联件燃料侧面氧分压的氧化物。例如，按照这个非-限制性实 施方案，互联件的燃料侧可以由铁素体不锈钢制成，这种铁素体不锈钢可 与氧化剂侧的铁素体不锈钢相同或不同，并且可包含一个含金属材料的层， 该金属材料层连接到燃料侧铁素体不锈钢，在SOFCs操作过程中该金属材 料形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面氧分压的氧化物。例如，含金 属材料的一层，可以是电镀在或包覆在形成互联件的燃料侧的铁素体不锈 钢部分。换句话说，互联件的燃料侧，可以由在SOFCs的操作过程中形成 具有离解压大于接近互联件的燃料侧氧分压的氧化物的金属材料制成。

另一非限制性实施方案为SOFCs提供互联件，该互联件含有由铁素体 不锈钢制成的氧化剂侧，并含有至少一个通道，该通道包含一种在其至少 部分表面上含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮，以及至少一个气流通路，其在至 少部分表面上含有富铝氧化皮；而且在氧化剂侧对面的燃料侧，该燃料侧 含有一种金属材料，其在SOFCs的操作过程中形成一种具有离解压大于接 近互联件的燃料侧氧分压的氧化物。

还有另一非限制性实施方案，为SOFCs提供互联件，该SOFCs含有气 体不渗透体，该气体不渗透体由铁素体不锈钢制成，并且包括一种含有通 道和气流通路的燃料侧，以及在燃料侧对面的氧化剂侧，所述氧化剂侧含 有一通道和一气流通路，其中，一种在SOFCs操作过程中，形成具有离解 压大于接近互联件的燃料侧氧分压的氧化物的金属材料，其在所述气体-不 渗透体的燃料侧上与至少部分铁素体不锈钢连结。

再次参阅图2，如前所述，在典型的PSOFC中，氧化剂在接近一个SOFC 的阴极222引入，而燃料是在接近PSOFC中临近的另一个SOFC的阳极224 引入。当SOFCs产生电流时，接近互联件的氧化剂侧面的pO₂，典型地大 于10^-3大气压，接近互联件燃料侧面的pO₂显著地较低，并且可依据因子如 燃料型、燃料利用量和PSOFC的操作温度而变化。

现参照图4，这是说明pO₂量的变化与在使用纯氢燃料下的三种不同的 燃料利用量(5％、50％和95％)时，在500℃～1000℃温度范围中操作的典型 电流发生的SOFC的燃料侧的关系(然而，应当理解类似于图4所示在使用 其它燃料类型例如天然气时在典型电流发生SOFC的燃料侧的pO₂量将发 生变化)。正如图4中所说明的，关于在互联件的燃料侧的pO₂，可以从约 10^-30大气压变化到大于10^-15大气压，其部分取决于所使用的燃料使用量和 操作温度。如前所述，在电流发生SOFC中通常使用的的操作温度下，不 锈钢与最常使用的金属导体，当暴露于如接近互联件的氧化剂侧的pO₂量 时将被氧化。然而，如上所述，在电流发生SOFC的操作期间，当暴露在 如接近互联件的燃料剂侧的pO₂量时不锈钢也将被氧化。然而，由于与大 多数通常使用的金属导体比较，不锈钢在其表面上，相当缓慢地生长形成 并形成导电性铬氧化皮，不锈钢对于用在制成SOFCs用的互联件中引起了 很大的兴趣。据所属技术领域的熟练技术人员的理解，关于特别是SOFC 的燃料侧的pO₂变化，将取决于若干因子，包括但不限于SOFC的设计。因 此，图4仅用来作为说明而不用来限制本发明的范围。

现参照图5，这里示出Ellingham曲线，在其上的条件近似于典型的、 电流产生SOFC操作的燃料侧的条件，在5％和95％的燃料利用量和500℃ 和1000℃的温度下(与pO₂值有关，如上述图4所示)是令人注目的。在典型 的操作条件下(在图5中强调方块50)，形成氧化物的金属，该氧化物具有的 解离压力大于接近互联件的燃料侧的pO₂，这些金属在500℃和1000℃之间 具有Ellingham线(即，氧化物形成的平衡曲线)，其完全位于方块50的外侧 和上面，例如，金属如铜、镍和钴。具有一种与方块50相交的Ellingham 曲线的铁，在某些条件下形成一种具有大于接近互联件燃料侧pO₂离解压 的氧化物，而在另外的条件下则低于接近燃料侧的pO₂。具有完全位于方块 50的外侧和下部的Ellingham曲线的铬，在图5所示全部典型的操作条件下， 形成一种具有解离压低于接近典型互联件的燃料侧pO₂的氧化物。因此， 人们期待，在典型的电流发生SOFC的操作过程中，当暴露于接近互联件 的燃料侧的条件时铬被氧化。据本技术领域的熟练技术人员估计，用于指 定的SOFC的实际操作范围，取决于若干因素，包括但不限制操作温度、 燃料利用量和所用燃料类型。因此，图5只用来作为说明而不用来限制本 发明的范围。

尽管Fe-Cr铁素体不锈钢，在PSOFC的操作过程中，暴露于接近SOFC 的阳极和SOFC的阴极的pO₂量时，易于氧化(如上图5所示)，一些金属在 暴露于接近SOFC阳极的环境时不氧化。此外，由于金属，例如但不限于 铜、镍和铜-镍合金的电阻率，通常低于在SOFCs操作过程中形成在铬氧化 皮上的电阻率，通过使用铁素体不锈钢(如上所述，任选的电抛光)和一种金 属材料的组合，该金属材料在SOFCs的操作过程中，形成一种具有离解压 大于接近互联件的燃料侧pO₂的氧化物，使按照本发明公开的各种非限制 性实施方案互联件的氧化性，能适合在SOFCs的操作过程期间互联件所经 受的环境条件。

例如，如图3a所示，虽然本发明不作限制，但互联件(通常，如310a 所示)可包括由铁素体不锈钢344a制成的并且是气体-不渗透的体340a，以 至于分别分离在互联件310a的燃料侧314a和氧化剂侧316a上流动的燃料 和氧化剂气体。此外，按照该非限制性实施例，在固体燃料电池的操作过 程中，形成具有离解压大于接近互联件310a燃料侧314a氧分压的氧化物的 金属材料342a，可在所述物体340a的燃料侧314a上，与至少部分铁素体 不锈钢344a连接，以降低或防止燃料气体和铁素体不锈钢之间的接触。例 如，按照一个非限制性实施方案，金属材料342a可以作为结合到物体340a 的燃料侧314a上与铁素体不锈钢344a连接的气体-不渗透的或固体层存在。 制成这样层的方法，包括但不限于电镀和包层。

或者，按照另一非限制性实施方案，互联件的燃料侧，可由在SOFCs 的操作过程中，形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面氧分压氧化物的 金属材料制成。例如，如图3b所示，一个非限制性实施方案为含复合体340b 的SOFCs提供互联件(通常表示为310b)，所述复合体包括由铁素体不锈钢 344b制成的氧化剂侧316b和在氧化剂侧对面的燃料侧314b，燃料侧是由 在固体氧化物燃料电池操作的过程中，可形成具有离解压大于接近互联件 燃料侧氧分压的氧化物的金属材料342b制成。按照这个非限制性实施例， 如前所述，物体340b可以是气体-不可渗透的，以便用于气体反应物的分离。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案，形成具有离解压大于接近 互联件的燃料侧氧分压的氧化物的金属材料，可以选自镍和镍合金、铜和 铜合金、铁和铁合金、钴和钴合金、金和金合金、以及铂和铂合金中的至 少一种。按照某些非限制性实施方案，金属材料可以是镍或镍合金、铜或 铜合金、或镍-铜合金。当用于本发明中时，术语“镍合金”指的是，以各 元素为基础其含有镍作为其主要成分的合金。当用于本发明中时，术语“铜 合金”指的是，以各元素为基础其含有以铜作其主要成分的合金。此外， 当用于本发明中时，术语“镍-铜合金”指的是，以各元素为基础含有基本 等量的镍和铜，并且镍和铜是合金的主要成分。例如，按照一个非限制性 实施方案，金属材料可以是含最高达49重量％的铜、最高达49重量％的铁 和镍的合金。一个非限制性实施例适当的镍合金是AL 400^TM合金(通常定为 的UNS-N04400)，它是从USA Pennsylvania，Pittsburgh的Allegheny Ludlun 公司购得，并且具有典型的组成，0.01重量％的碳，0.50重量％的锰，0.005 重量％的磷，0.005重量％的硫，0.25重量％的硅，0.02重量％的铝，32重 量％的铜，1重量％的铁，其余部分是镍和杂质。

根据另一个非限制性实施方案，形成一种具有离解压大于接近互联件 燃料侧氧分压的氧化物的金属材料，可以是一种在500℃～1000℃的温度的 范围下形成一种具有离解压大于至少10^-30大气压的氧化物的金属材料或者 是在500℃～1000℃的温度范围下形成一种具有离解压大于10^-25大气压的 氧化物的金属材料。

任选地，尽管未显示在图3a和3b中，但是在金属材料对面的互联件 的侧面(即，互联件的氧化剂侧面)，可包含至少一个通道其在经受温度至少 在650℃的氧化性气氛时，在其至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的 氧化皮，以及至少一个气流通路其在经受温度至少为650℃的氧化性气氛 时，在其至少部分表面上产生富-铝氧化皮，其中富铝氧化皮含铁和铬并且 具有赤铁矿的结构。例如，按照这个非限制性实施方案，互联件的至少部 分氧化剂侧面可选择性地被电抛光，或者全部氧化剂侧面或全部互联件被 电抛光，之后可磨光选择的互联件表面(例如通道表面)以除去这些表面上的 材料。

或者，在空气中具有适宜电性能和抗氧化性的一层，诸如一层镍-基超 级合金或其它材料，可与金属材料对面的互联件侧(即，互联件的氧化剂侧) 相连接(例如，通过包覆)。例如，按照一个非限制性实施方案并如图3c所 示，互联件(通常指310c)可包括由铁素体不锈钢344c制成的物体340c和具 有燃料侧314c以及在燃料侧对面的氧化剂侧316c。在SOFCs的操作过程 中，一种形成具有离解压大于接近互联件310c燃料侧面314c氧分压的氧化 物的金属材料342c，可在物体340c的燃料侧314c上，与至少部分铁素体 不锈钢344c连接，如前所述。或者，尽管未示于图3c中，但是互联件物体， 如上所述，参照图3b可以是复合体。此外，按照这个非限制性实施方案， 一种具有在空气中与镍-基超级合金相类似的电性能和抗氧化性的镍-基超 级合金或其它材料的层346c，可以与互联件310c的氧化剂侧316c连接， 由于在SOFC的操作过程中，暴露于接近阴极的环境，故可用以降低或防 止铁素体不锈钢344c在氧化剂侧316c上的氧化作用。和这个非限制性实施 方案组合使用的实例镍-基超级合金，包括但不限于，Alloy 600合金(又称 UNS-N06600)、Alloy 625(又称UNS-N06625)、和Alloy HX(又称 UNS-N06002)。也可估计，具有铝和硅含量不大于0.5重量％的其它镍-基超 级合金也可以和这种非限制性实施方案共同使用，例如，Alloy 230(又称 UNS-N06230)，按重量％计，可以包含最高达0.3的铝和最高达0.4的硅。

尽管镍-基超级合金，通常具有用于互联件中的良好组合性能，诸如良 好的导电率和抗氧化性，因为镍-基超级合金昂贵而且一般具有显著高于 CTE陶瓷电极的CTE，所以镍-基超级合金在互联件场合中的用途被限制在 某些应用中。然而，通过使互联件的各种组分的厚度和CTEs进行平衡，镍 -基超级合金的成本和镍-基超级合金相对高的CTE的效果得到减轻。例如， 根据一个非限制性实施方案，互联件的铁素体不锈钢成分可以包含60～ 80％的互联件的总厚度，互联件的燃料侧上的金属材料和互联件的氧化剂侧 上的镍-基超级合金，各包含互联件的总厚度的10～20％。此外，虽然没有 要求，但假若燃料侧上的金属材料具有高于氧化剂侧上镍-基超级合金CTE 的CTE，该金属材料的厚度可低于镍-基超级合金层的厚度，致使在互联件 的任意侧面上均匀分布CTE失配。相反，假若互联件的氧化剂侧上的镍- 基层具有高于互联件的燃料侧上金属材料的CTE，则镍-基超级合金层可具 有的厚度低于燃料侧上金属材料的厚度。例如，尽管在此无限制，但假若 燃料侧上的金属材料具有高于氧化剂侧上的镍-基超级合金层CTE的10％， 则燃料侧上的金属材料可具有低于镍-基超级合金厚度10％的厚度。

接着参考图3c，因为金属材料342c和层346c分别防止铁素体不锈钢 344c直接暴露于环绕阳极和阴极的环境，根据这些非限制性实施方案，铁 素体不锈钢的抗氧化性对互联件的整个电性能的影响较小。因此，根据这 个非限制性实施方案，具有低合金和/或低铬含量的铁素体不锈钢，通常是 便宜的，但是与更高合金的铁素体不锈钢对比，具有较低抗氧化性，其可 用于制造物体340c。和这些非限制性实施方案组合使用的低合金和/或含低 铬的铁素体不锈钢的非限制性实施例，包括已指定的409型铁素体不锈钢 (例如，Fe-11Cr铁素体不锈钢，也称为UNS-S40900、UNS-S40920和 UNS-S40930)和430型(例如，Fe-16Cr铁素体不锈钢，也称为UNS-S43000)。

如前所讨论的，尽管铁素体不锈钢在操作过程中在暴露于接近SOFC 阴极的富-氧化剂环境时易于氧化(即，接近互联件氧化剂侧的环境)，但在 不锈钢表面上形成的氧化皮倾向于缓慢生长和导电。这样，按照本发明公 开的各种非限制性实施方案，至少与接近SOFC阴极的富氧化剂环境接触 的部分互联件(即，互联件的氧化剂侧)由不锈钢制成，尤其是铁素体不锈钢。 或者，一种附加层，如在空气中具有适宜的抗氧化性的镍-基超级合金层或 其它材料层，如上所述，参照图3c，可与互联件的氧化剂侧面连接(例如， 通过包覆)。

现参照图6，如前所述，铁素体不锈钢通常具有低于奥氏体不锈钢的 CTEs，以及已经提出作为SOFCs的互联件使用的其它材料，如示于图6中 的镍-基合金。因为SOFCs用的互联件，通常必须具有十分类似于SOFCs 内的陶瓷电极的CTE的CTE，以保证组件必要的结构完整性和气密性，一 般希望由具有与电极CTEs尽可能紧密地匹配的CTE的材料制成互联件。 因此，通过由铁素体不锈钢，而不是由奥氏体不锈钢或具有较铁素体不锈 钢高的CTEs的镍-基超级合金形成互联件体，并且通过平衡铁素体不锈钢 与在SOFC的操作过程中形成具有大于接近互联件燃料侧pO₂离解压的氧 化物的金属材料(与镍-基超级合金，若存在的话)的比例，按照本发明公开 的各种非限制性实施方案的互联件的CTE为了与SOFCs陶瓷电极的兼容性 可进行调节。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件的CTE包含铁素体 不锈钢和在SOFC的操作过程中形成具有大于接近互联件的燃料侧pO₂的 离解压的氧化物的金属材料两者，并如上述图3c所示，在氧化剂侧上，任 选含有镍-基超级合金附加层，其近似于按照下列方程式：

CTE_(I)＝CTE_(fss)/X′_(fss)+CTE_(mm)/X_(mm)+CTE_(Ni)/X_(Ni)  Eq.1

X_(fss)＝t_(fss)/(t_(fss)+t_(mm)+t_(Ni))  Eq.2

X_(mm)＝t_(mm)/(t_(fss)+t_(mm)+t_(Ni))    Eq.3

X_(Ni)＝t_(Ni)/(t_(fss)+t_(mm)+t_(Ni))    Eq.4

其中CTE_(I)是互联件的总热膨胀系数，CTE_(fss)是铁素体不锈钢热膨胀系数， CTE_(mm)是在SOFC的操作过程中，形成具有大于接近互联件燃料侧pO₂的离 解压的氧化物的金属材料的热膨胀系数，而CTE_(Ni)是镍-基超级合金的热膨 胀系数。Eq.1中的变量X_(fss)、X_(mm)和X_(Ni)由上面Eqs.2-4规定，其中t_(fss)是 铁素体不锈钢的厚度，t_(mm)是金属材料的厚度，而t_(Ni)是镍-基超级合金层的 厚度。换句话说，CTE_(I)是相当于通过互联件总厚度的各成分分数称重的各 成分(即，铁素体不锈钢，金属材料以及若存在的话镍-基超级合金层)的CETs 总量。假若互联件在互联件氧化剂侧上不包括镍-基超级合金层将会更好， 可以通过消除有关这个成分的项目而简化前述方程式。

例如，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，铁素体不锈钢的组 分，金属材料的组分，如存在的话在互联件氧化剂侧上的镍-基超级合金层 组分，以及各种这些组分的分厚度对总组合厚度之比，可以进行选择，以 使互联件具有不大于17ppm/K的平均热膨胀系数。根据另一非限制性实施 方案，对该比例和材料可进行选择，以使提供具有不大于15ppm/K或不大 于13ppm/K的CTE的互联件。然而，如上所述，通常希望互联件的CTE 与陶瓷电极的CTE尽可能紧密地匹配。因此，按照本发明公开的各种非限 制性实施方案的互联件，可具有任意必须的CTE以对引入其中的SOFCs或 PSOFC提供合适的性能和可靠性。

如上所述，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，在金属材料对 面的互联件侧面(即，互联件的氧化剂侧)可以进行电抛光。例如，虽然本发 明没有限制，但是对互联件进行的电抛光可以通过将互联件置于含电抛光 溶液(典型的是含酸和载体)的槽中，电连接互联件至阴极，再于互联件和阴 极之间通电流，以使材料用电化学方法从互联件的表面除去。此外，尽管 本发明无限制，但对互联件的氧化剂侧可进行选择性电抛光，例如，在把 互联件放入含电抛光溶液槽内之前，通过掩蔽掉互联件的某些表面或区域 (例如，通道表面)，以便能避免这些表面的电抛光。或者，如前所述，可以 对互联件的整个氧化剂侧进行电抛光，之后再对互联件的某些表面(例如， 通道表面)进行物理方法或化学方法磨光，以降低或消除这些表面上的电抛 光作用。

用于本发明公开的各种非限制性实施方案互联件的铁素体不锈钢的例 子，包括但不限于含有至少12重量％铬的铁素体不锈钢。按照一个非限制 性实施方案，铁素体不锈钢可以含有至少18重量％的铬，可进一步含有18～ 35重量％的铬，以及还可进一步含有20～28重量％的铬。认为含至少20 重量％铬的铁素体不锈钢，对组合本发明公开的各种非限制性实施方案一起 是特别有效的，因为这种“含高铬”的铁素体不锈钢，易于形成具有较低 电阻率的氧化皮。具体地，含有至少20重量％铬的市售铁素体不锈钢的具 体的非限制性的例子包括AL 453^TM铁素体不锈钢和E-Brite铁素体不锈 钢。

按照还有另一非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以是进一步含稀土 金属(“REM”)合金化添加剂的含高铬的铁素体不锈钢合金。尽管在此不作 限制，但可以预料把REMs加入含高铬合金(如上所讨论的AL 453^TM铁素体 不锈钢合金)可导致高温下具有附着性的、缓慢生长的氧化铬皮的形成。在 铁素体不锈钢的生产过程中，可以以混合稀土的形式加入REM。混合稀土 是一种可商购的混合的REM形式，并且，以具有已知浓度的REMs铈、镧 和镨的不同组分方式获得。例如，用于炼钢的普通混合稀土形式，按重量 计，标称是50Ce-30La-20Pr。

按照另一非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以是低的合金元素，其 形成大于氧化铬电阻率的连续氧化物。形成具有的电阻率大于氧化铬电阻 率的连续氧化物的合金元素的非限制性实施例，包括铝和硅。例如，可用 于按本发明公开的各种非限制性实施方案中的是含有低于0.1重量％铝和/ 或低于0.1重量％硅的不锈钢；和含0～0.005重量％的铝和/或0～0.005重 量％硅的铁素体不锈钢。尽管在此无限制，但是可以预料，通过在铁素体不 锈钢中减少形成连续氧化物的合金元素量，该氧化物具有的电阻率大于铬 氧化物电阻率，在PSOFC的操作过程中，在铁素体不锈钢互联件上形成的 富铬氧化物和/或锰-铬酸盐尖晶石氧化皮，与使用常规铁素体不锈钢制造的 互联件对比，具有改进的电性能。

此外，按照本发明公开的各种非限制性实施方案的铁素体不锈钢，可 含有大于1～2重量％的锰。如前所述，在高温下的氧化过程中，锰能离析 至铁素体不锈钢的表面，由此形成含锰-铬酸盐尖晶石(例如，MnCr₂O₄)氧化 皮。如上所述，在氧化过程中，在铁素体不锈钢的表面上，含锰-铬酸盐尖 晶石氧化皮的形成，可降低铬从铁素体不锈钢表面的迁移。尽管在此无限 制，但是可以预料，当在铁素体不锈钢表面上形成的锰-铬酸盐尖晶石为锰 饱和或接近饱和时，可以实现铬迁移的最大阻力，通常要求铁素体不锈钢 的锰含量大于1重量％。因此，按照本发明公开的一些非限制性实施方案的 铁素体不锈钢，可以含有大于1重量％的锰，进一步可含有至少1.5重量％ 的锰，更进一步可含有至少1.6重量％的锰。

但是，因为在铁素体不锈钢表面上的氧化皮总厚度易于随锰含量的提 高而提高，就某些用途而言，有可能希望防止厚的氧化皮在铁素体不锈钢 的表面上(至少在电接触区)形成，以保持互联件的ASR低到切实可行。因 此，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，铁素体不锈钢中存在的锰 含量范围在大于1重量％～2重量％，进一步的范围在至少1.5重量％～2重 量％，更进一步的范围在1.6重量％～2重量％。

可用于形成按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件，并具 有高-铬含量的铁素体不锈钢的非限制性实例，任选地含REMs，并其在形 成具有电阻率大于氧化铬电阻率的连续氧化物的合金元素中两者都是低 的，以及含有大于1～2重量％锰的铁素体不锈钢列于下表II中。

表II

^*重量％铈和重量％镧的范围在0.03～0.06。

^**已知：0.4重量％≤[％Nb+％Ti+1/2(％Ta)]≤1重量％。

对于组分1(上述)，铁素体不锈钢组分中的铝和/或硅含量列于上面表II 中的范围在0～0.05重量％。此外，对于组分1-4(上述)，铝和/或硅的含量 范围在0.005～0.05重量％。更进一步，对于组分1-4，锰含量范围在1.5～2 重量％，而进一步的范围在1.6～2重量％。

如前所述，本发明公开的各种非限制性实施方案，涉及铁素体不锈钢， 具体地是，可用于制造按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件 的铁素体不锈钢。例如，一个非限制性实施方案，提供包含列于上表II中 的组分1的铁素体不锈钢。另外，按照这个非限制性实施方案，铁素体不 锈钢可含有0～0.05重量％的铝和/或硅或0.005～0.05重量％的铝和/或硅。 更进一步，按照这个非限制性实施方案的铁素体不锈钢，可含有1.5～2重 量％的锰或1.6～2重量％的锰。

另一非限制性实施方案提供一种含有列于上表II的组分2的铁素体不 锈钢。另外，按照该非限制性实施方案，该铁素体不锈钢可含有0.005～0.05 重量％的铝和/或硅。更进一步，根据该非限制性实施方案的铁素体不锈钢， 可包含1.5～2重量％的锰或1.6～2重量％的锰。

另一非限制性实施方案提供一种包含列于上表II中的组分3的铁素体 不锈钢。此外，按照该非限制性实施方案，该铁素体不锈钢可含有0.005～ 0.05重量％的铝和/或硅。更进一步，根据该非-限制性实施方案的铁素体不 锈钢可包含1.5～2重量％的锰或1.6～2重量％的锰。

另一个非限制性实施方案提供一种包含列于上表II中的组分4的铁素 体不锈钢。此外，按照该非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以含有0.005～ 0.05重量％的铝和/或硅。更进一步，按照该非限制性实方案的铁素体不锈 钢可含有1.5～2重量％的锰或1.6～2.重量％的锰。另外，可进一步选择铌、 钛和/或钽中的一种或多种的量，以满足方程式0.5重量％≤ [％Nb+％Ti+1/2(％Ta)]≤1重量％，或可以选择以满足方程式0.5重量％≤ [％Nb+％Ti+1/2(％Ta)]≤0.75重量％。此外，按照各种非限制性实施方案， 组分4中的钛含量可不大于0.5重量％。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案的铁素体不锈钢，还可基本 上没有银、氧化钙和/或钛。当用于本发明中时，对于铁素体不锈钢的组分， 术语“基本上没有”指的是，在铁素体不锈钢中只有杂质或残余量的特定 元素(多种)存在。

本发明公开的另一个非限制性实施方案提供，由上述的铁素体不锈钢 制造的互联件。例如，一个非限制性实施方案提供一种SOFCs用的互联件， 该互联件包含一种含组分1的铁素体不锈钢。此外，如上所述，按照这个 非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以含有0～0.05重量％的铝和/或硅或 0.005～0.05重量％的铝和/或硅。更进一步，按照这个非限制性实施方案的 铁素体不锈钢，可含有1.5～2重量％的锰或1.6～2重量％的锰。

另一非限制性实施方案提供一种用于SOFCs的互联件，该互联件所含 铁素体不锈钢含有列于上述的组分2、3和4的组分。此外，如上所述，根 据这个非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以含有0.005～0.05重量％的铝 和/或硅。更进一步，铁素体不锈钢可以含有1.5～2重量％的锰或1.6～2重 量％的锰。

如上所述，本发明公开的各种非限制性实施方案涉及使用按前述非限 制性实施方案中的任一方案的互联件制造的PSOFCs。例如，一个非限制性 实施方案提供一种PSOFC，其含有具有阳极、阴极和介于阳极和阴极之间 的固体氧化物电解质的第一固体氧化物燃料电池；具有阳极、阴极和介于 阳极和阴极之间的固体氧化物电解质的第二固体氧化物燃料电池，第二固 体氧化物燃料电池要这样放置，以使第一固体氧化物燃料电池的阳极靠近 第二固体氧化物燃料电池的阴极，并且互联件插在第一和第二固体氧化物 燃料电池之间。按照这个非限制性实施方案，互联件由铁素体不锈钢制成 并且包含位于靠近第一固体氧化物燃料电池阳极的燃料侧面，该燃料侧面 含有至少一个通道和至少一个气流通路，以及一个在互联件燃料侧对面的 氧化剂侧并靠近第二固体氧化物燃料电池的阴极，互联件的氧化剂侧面由 铁素体不锈钢制成并且包括至少一个通道当经受温度至少为650℃的氧化 性气氛时在其至少部分表面上产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化皮和至少一个 气流通路当经受温度至少为650℃的氧化性气氛时在其至少部分表面上产 生富-铝氧化皮，富-铝氧化皮含铁和铬并具有赤铁矿的结构。

此外，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，互联件的燃料侧可 以包含铁素体不锈钢和至少一个燃料侧面的通道在其经受温度至少为650 ℃时的氧化性气氛时在其至少部分表面上可产生含锰-铬酸盐尖晶石的氧化 皮。更进一步，燃料侧面的至少一个气流通路，其在经受温度至少为650 ℃的氧化性气氛时，可在其至少部分表面上产生含铁和铬并具有赤铁矿结 构的富-铝氧化皮。

或者，互联件的燃料侧面可包含具有金属材料的铁素体不锈钢，该金 属材料在PSOFC的操作过程中形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面 pO₂的氧化物并与其至少部分表面连接。更进一步，燃料侧面可以由在 PSOFC的操作过程中形成具有离解压大于接近互联件燃料侧面pO₂氧化物 的金属材料制成。对合适的铁素体不锈钢和在PSOFC的操作过程中形成具 有离解压大于接近互联件燃料侧面pO₂的氧化物的金属材料的非-限制性实 施例已在上面详细陈述。

另一非限制性实施方案提供一种PSOFC，其包括具有阳极、阴极和介 于阳极和阴极之间的固体氧化物电解质的第一固体氧化物燃料电池；具有 阳极、阴极和介于阳极和阴极之间的固体氧化物电解质的第二固体氧化物 燃料电池，使第二固体氧化物燃料电池这样放置以使第一固体氧化物燃料 电池的阳极靠近第二固体氧化物燃料电池的阴极；并把互联件插在第一和 第二固体氧化物燃料电池之间。按照这个非-限制性实施方案，互联件具有 含铁素体不锈钢的氧化剂侧面，和互联件的氧化剂侧面对面的燃料侧面， 燃料侧面含有金属材料，其在平板固体氧化物燃料电池的操作过程中形成 一种具有离解压大于接近互联件燃料侧面pO₂的氧化物。更具体地，按照 这个非-限制性实施方案，互联件要这样插在第一固体氧化物燃料电池和第 二固体氧化物燃料电池之间，以使互联件的燃料侧面靠近第一固体氧化物 燃料电池的阳极，并且使互联件的氧化剂侧面靠近第二固体氧化物燃料电 池的阴极。此外，按照这个非-限制性实施方案，互联件的燃料侧面可以由 铁素体不锈钢和与至少部分铁素体不锈钢连接的在PSOFC操作过程中形成 一种具有离解压大于接近互联件燃料侧面pO₂的氧化物的金属材料制成。

现对制造按照本发明公开的各种非限制性实施方案的互联件的方法予 以讨论。一个非限制性实施方案提供一种制造互联件的方法，该方法包括 由铁素体不锈钢成形互联件，该互联件具有燃料侧面和在燃料侧对面的氧 化剂侧，燃料侧和氧化剂侧各含有通道和气流通路，且电抛光互联件氧化 剂侧的至少一个气流通路的至少一部分。

例如，按照这个非限制性实施方案，电抛光可包括选择性电抛光互联 件氧化剂侧的至少一种气流通路的至少部分。更特别地说，按照这个非限 制性实施方案，选择性电抛光可包括使用掩蔽材料掩蔽不要电抛光的互联 件的那些部分。例如，氧化剂侧面的通道、整个的燃料侧面或，假若燃料 侧面的气流通路要被选择性电抛光，则燃料侧面的通道可被掩蔽以避免这 些部分的电抛光。合适的掩蔽材料的非限制性实施例包括光致抗蚀剂、石 蜡和掩蔽带。之后，互联件可如上述电抛光。电抛光后，通过已知方法除 去掩蔽材料。

任选地，在选择性电抛光之前或之后，可把在PSOFC的操作过程中形 成具有离解压大于接近互联件燃料侧pO₂的氧化物的金属材料与燃料侧连 接。或者，在成形互联件之前可使金属材料与铁素体不锈钢连接。在下面 将更详细地描述在PSOFC的操作过程中形成具有离解压大于接近互联件燃 料侧pO₂的氧化物的金属材料连接的非限制性方法。

另一非限制性实施方案提供包括由铁素体不锈钢成形互联件的制造互 联件的方法，该互联件具有燃料侧和在燃料侧对面的氧化剂侧，燃料侧和 氧化剂侧各包括一个通道和一气流通路，电抛光互联件的至少部分氧化剂 侧，再用物理方法或化学方法从互联件的氧化剂侧的至少一个通道的至少 一个电抛光表面除去材料。任选地，在PSOFC的操作过程中形成具有离解 压大于接近互联件燃料侧面pO₂的氧化物的金属材料在成形互联件后，或 电抛光之前或之后，可与互联件的燃料侧面连接。或者，在互联件形成之 前金属材料可与铁素体不锈钢连接。

另一个非限制性实施方案提供一种包括在至少部分铁素体不锈钢板材 的表面上连接金属材料的制造互联件的方法，金属材料是镍或镍合金、铜 或铜合金、或镍-铜合金，并且互联件由铁素体不锈钢板材制成，该互联件 具有含铁素体不锈钢的氧化剂侧和在含有金属材料的氧化剂侧对面的燃料 侧，互联件的氧化剂侧和燃料侧各包括一个通道和一气流通路。正如在下 面更详细地地讨论，按照这个非限制性实施方案，在金属材料与至少部分 铁素体不锈钢连接之前、之中或之后可形成互联件。

任选地，按照前述非限制性实施方案，互联件氧化剂侧的至少一个气 流通路的至少部分可进行电抛光，例如通过选择性的电抛光；或对全部氧 化剂侧面进行电抛光并且，之后，从部分至少一个电抛光过的通道表面上 除去材料(如前所述)。或者，铁素体不锈钢可在金属材料于其连接之前或连 接金属材料之后但在形成互联件之前进行电抛光。

更进一步，按照各种非限制性实施方案，可使一层镍-基超级合金在互 联件成形之前例如通过热轧或冷轧而与铁素体不锈钢的表面连接，该铁素 体表面处于金属材料与之连接的表面对面。例如，按照一个非限制性实施 方案，铁素体不锈钢板坯可插入金属材料层和镍-基合金层之间。之后，所 述叠片组可包层在一起并通过热轧加工成所希望的厚度，或者，各种材料 可在包层一起之前用冷连接工艺加工成具有预定厚度的板材或卷材。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案，铁素体不锈钢可以是已经 轧制成预定厚度或最终尺寸的铁素体不锈钢板材。例如，铁素体不锈钢板 材可以通过使用一次或多次通常的热轧和/或冷轧工艺由厚度大于预定厚度 的板坯(或另外的卷材或板材)轧制加工成所要求的厚度。

按照本发明公开的各种非限制性实施方案金属材料与至少部分铁素体 不锈钢连接的方法包括，但不限于，电镀、包层、紧固、联接及其组合。 当用于本发明中时术语“电镀”指的是一种材料积累在另一种材料上。合 适的电镀技术的非-限制性实施例包括，但不限于，电镀、无电镀敷、以及 其它物理或化学沉积技术(诸如，但不限于溅射、等离子体蒸气沉积、化学 蒸气沉积和热或火焰喷射)，其包括一种材料积累在另一种材料上。

当用于本发明中时术语“包层”指的是使用压力或压力和温度导致两 种或更多种材料彼此直接接触。适当的包层方法的非-限制性实施例包括， 但不限制，热轧和冷轧连接，以及其它热-机械连接技术诸如爆炸结合和锻 造。

当用于本发明中时术语“紧固”指的是机械连接或连锁两种或更多种 材料，诸如用紧固件或一些其它的配件设备或连锁几何学。例如，尽管在 此不限制，但是金属材料可以通过一起压弯金属材料和铁素体不锈钢以联 结两种材料而与铁素体不锈钢紧固。

当用于本发明中时，术语“联接”指的是联接两种材料在一起诸如通 过焊接、铜焊或锡焊。例如，按照一个非限制性实施方案，金属材料可以 被铜焊至铁素体不锈钢。

按照一个具体的非限制性实施方案，使金属材料连结到至少部分铁素 体不锈钢上，其包括在至少部分铁素体不锈钢表面上电镀金属材料和在至 少部分不锈钢表面上包层金属材料的至少一种。

组合本发明公开的各种非限制性实施方案一起使用的成形互联件的非- 限制性方法包括锻造、冲压、压印、机加工、化学碾磨及其组合。按照一 个非-限制性实施方案，成形互联件可包括，例如，冲压铁素体不锈钢板材 成为所要求的几何结构。或者，按照这个非-限制性实施方案，互联件可以 使用冲压和机加工的组合方法成形。按照另一个非-限制性实施方案成形互 联件可包括提供一种铁素体不锈钢毛坯，把掩蔽材料施加到要保留的铁素 体不锈钢毛坯的那些部分，并化学碾磨毛坯以除去毛坯未掩蔽部分的材料， 以形成具有至少一个通道和至少一个气流通路的互联件。之后，可使互联 件进行电抛光并在电抛光后除去掩蔽材料。例如，按照这个非-限制性实施 方案，被掩蔽的铁素体不锈钢毛坯部分可以是互联件内形成通道的毛坯的 那些部分。种种成形互联件的方法是已知技术。

如前所述，按照本发明公开的各种非限制性实施方案，成形互联件可 在金属材料与至少部分铁素体不锈钢连接之前、之中或之后发生。例如， 按照一个非限制性实施方案，其中成形互联件发生在金属材料与铁素体不 锈钢连接之前，制造互联件的方法可包含提供铁素体不锈钢板材，由这种 铁素体不锈钢板材成形互联件和在互联件的至少一个表面至少部分上电镀 金属材料，金属材料是镍或镍合金、铜或铜合金、或镍-铜合金。任选地， 按照这个非-限制性实施方案，可将一层镍-基超级合金在成形互联件之前包 层在铁素体不锈钢上，以致在成形后，互联件具有包含镍-基超级合金的第 一侧面和包含铁素体不锈钢第一侧面对面的第二侧面。之后，把金属材料 可电镀在互联件的第二侧面的铁素体不锈钢上。

按照另一非限制性实施方案，其中成形互联件发生在金属材料与铁素 体不锈钢连接之后，制造互联件的方法可包括提供一种铁素体不锈钢板材， 把金属材料包层在至少部分的铁素体不锈钢板材的至少一个表面上，金属 材料是镍或镍合金、铜或铜合金或镍-铜合金；和由包层铁素体不锈钢板材 成形互联件。此外，按照这个非-限制性实施方案，在由包层铁素体不锈钢 板材成形互联件之前，可例如，通过轧制加工包层铁素体不锈钢板材至最 终尺寸。任选地，按照这个非-限制性实施方案，可使金属材料包层在铁素 体不锈钢的第一表面上而使一层镍-基超级合金包层在第一表面对面的铁素 体不锈钢的第二表面上。

按照还有另一个非-限制性实施方案，其中成形互联件基本上发生在金 属材料与铁素体不锈钢连接的相同时间中，制造互联件的方法可包括提供 在模具中的铁素体不锈钢板材，放置一层金属材料片或箔在紧邻至少部分 铁素体不锈钢板材，金属材料是镍或镍合金、铜或铜合金或镍-铜合金；并 且通过在热和压力下锻造成形互联件，致使铁素体不锈钢和金属材料同时 成形为互联件并包层在一起。任选的是，按照这个非-限制性实施方案，把 片状或箔状的金属材料可放在紧邻铁素体不锈钢板材的第一侧面，而把片 状或箔状的镍-基超级合金放在紧邻铁素体不锈钢板材的第二侧面，在第一 侧面的对面，之后锻造所述叠片组至形成互联件。

下列非限制性实施例用来便于理解本公开的各个方面而并非在此用来 作为限制。

实施例

实施例1

获得和检测两种铁素体不锈钢的各三个样品如下。第一组三个铁素体 不锈钢样品是AL 453^TM合金样品(该合金标称组分列于上面表I中)。这三 个样品在如下所述检测之前进行电抛光。第二组三个铁素体不锈钢样品是 E-BRITE合金样品(该合金标称组分列于上表I中)并且未经电抛光进行检 测。

AL 453^TM合金样品的电抛光如下进行。要电抛光的样品用240号磨料 碳化硅的湿/干金相磨光纸研磨。之后把样品浸渍在具有下列组成的酸性水 溶液中：25％的硫酸，47％的磷酸和28％的乙醇酸。该溶液保温在约175 下并通过使1Amp./in²电流通过样品20分钟而进行电抛光，样品每5分钟 翻动一次。

之后通过热氧化循环对各样品的抗氧化性进行评价。在每次热氧化循 环过程中，使样品暴露于760℃的温度的含7％水蒸汽的空气中，名义上持 续160小时。重复循环暴露直到达到4000小时的总暴露时间。在每次热氧 化循环后测量各样品的重量并记录。这种检测的结果以每份样品表面积 (mg/cm²)的重量变化对各检验样品的暴露时间(小时)绘制的曲线示于图7 中。

正如从图7所见，各AL 453^TM合金电抛光样品在整个暴露周期内增加 重量，而未-电抛光的样品(即，E-BRITE合金样品)在暴露大约1000小时 后失重，并在整个剩余的暴露时间继续失重。认为这种失重归因于在检测 过程中承载铬的蒸气物质从样品表面放出。

实施例2：

AL 453^TM合金样品(该合金的标称组分列于上面的表I中)如上实施例 1所述进行电抛光。之后，部分电抛光的表面使用镶有金刚石的尖针机械磨 光。然后把样品放入炉内并在空气中于875℃下加热72小时以引起在样品 上形成氧化皮。

暴露后，使用扫描电子显微镜进行样品观察并且绘制一些元素的特征 性X-射线以表明各种元素在或接近样品表面上的相对数量。图8a是样品的 第二电子图象而图8b-8e是使用所指出的元素的特征性X-射线获得的示于 图8a中的相同面积的特征性X-射线图象。尤其是，图8b是铬的特征性X- 射线的X-射线图象，图8c是铁的特征性X-射线的X-射线图象，图8D是 铝的特征性X-射线的X-射线图象和图8e是锰的特征性X-射线的X-射线图 象。

正如从这一系列图象所见，使用镶有金刚石的尖针磨光的部分电抛光 的表面具有较高浓度铬和锰，这表明锰-铬酸盐尖晶石氧化皮在这部分形成。 相反，未磨光的电抛光表面部分具有较高浓度的铁和铝，这表明富-铝氧化 皮在这些部分产生而在整个的氧化检测过程中保持完整。观察到铬没有显 著迁移至富-铝氧化物表面。

可以理解的是本说明书举例说明有关本发明的清楚理解的发明各方 面。因此对所属技术领域的熟练技术人员来说是显而易见的某些方面，不 便于更好理解本发明的某些方面，为了简化本发明起见没有呈现。尽管本 发明是和某些实施方案一起进行描述的，但是本发明不限于公开的特定实 施方案，而是用来覆盖本发明精神和范围内的改进方案，由所附权利要求 书所限定。