燃料电池部件的制作方法

本公开涉及一种用于固体氧化物电解质燃料电池或电解槽的设有防腐蚀涂层的部件，以及这样的固体氧化物电解质燃料电池或电解槽。这种具有导电功能的部件尤其可以装备固体氧化物燃料电池(sofc)、质子陶瓷燃料电池(pcfc)或另一种直接碳燃料电池(dcfc)。

背景技术：

0、现有技术

1、燃料电池中使用的导电部件，例如端板、双极板和互连器，既暴露于氧化条件(特别是由于分子氧和/或水的存在)，又暴露于腐蚀性条件(特别是由于来自电解质的酸性流出物)，条件极其恶劣，在没有足够保护的情况下由这种腐蚀产生的产物会导致快速劣化，导致这些部件的导电性丧失，以及电池燃料环境的污染，特别是其电解质和/或其催化剂。

2、这对于固体氧化物电解质燃料电池来说尤为重要，因为这种电池的工作温度在500-1000℃之间，这会显著促进腐蚀过程。

3、为了限制这种腐蚀，第一个选择是使用非常特殊的合金，它们具有天然很高的耐腐蚀性。特别地，这可以包括inconel 625。但是，此类特殊合金很昂贵。此外，在某些应用中，它们的天然耐腐蚀性可能不足。

4、第二种选择是对此类导电部件使用更常规的材料，但用防腐涂层对其进行保护。因此，许多材料已经在科学文献中进行了测试，特别是石墨或导电金属氧化物涂层。

5、然而，除了非常好的防腐性能外，这种防腐涂层还必须具有良好的稳定性和足够的导电性，以免妨碍燃料电池的电运行。特别是，涂层的电导率必须保持在100s(西门子)/cm以上。另外，涂层必须足够薄，例如小于5μm，以便不改变部件的几何形状，特别是当部件包括通道时。

6、然而，迄今为止，无论是在固体氧化物燃料电池(sofc)领域还是在质子陶瓷燃料电池(pcfc)或直接碳燃料电池(dcfc)，唯一已知的能够达到超过5000小时使用寿命和可接受的降解率(小于40μv/h)的解决方案，是纯金涂层，厚度为200至500纳米。

7、然而，容易理解的是，这种纯金涂层显著增加了燃料电池的成本。因此，当燃料电池的所有导电部件都配备有这种涂层时，仅该涂层的成本就可以占燃料电池总成本的一半。此外，即使是纯金涂层最终也会部分磨损，从而污染燃料电池的环境:特别是，金颗粒会沉积在燃料电池的某些部件上，并在不需要的地方形成电连接，从而降低了燃料电池的效率。

8、因此，确实需要一种用于固体氧化物电解质燃料电池或电解槽的部件，以及包含这种部件的固体氧化物电解质燃料电池或电解槽，其至少部分地避免了上述已知的配置中固有的缺点。

技术实现思路

1、本公开涉及一种用于固体氧化物电解质燃料电池或电解槽的部件，包括导电基板，和

2、沉积在基板的至少一个表面上的防腐蚀涂层，其中防腐蚀涂层包括至少一个基于掺杂有一种或多种选自过渡金属或镧系元素族的掺杂元素的氮化钽。

3、如下面详细描述中将详细说明的，以这种方式掺杂的氮化钽层提供了非常好的防腐蚀保护，同时具有良好的导电性。特别地，包含一种或多种掺杂剂使得可以通过形成固溶体来提高通常是亚稳态的氮化钽的化学稳定性。

4、因此，尽管燃料电池或电解槽中存在高度氧化条件，由此获得的部件仍能够以有效且持久的方式确保其导电功能。

5、特别是，由于掺杂氮化钽的出色稳定性，涂层实际上不会随着时间的推移而退化:因此，一方面，部件的电导率随着时间的推移而下降的风险降低，另一方面，污染燃料电池或电解槽的环境的风险降低，特别是污染其电解质或其催化剂，并因此降低其效率。因此，这种涂层使得部件能够实现极长的使用寿命，大约20,000至30,000小时。

6、此外，获得掺杂氮化钽涂层的成本明显低于纯金涂层的成本，这使得可以大大降低燃料电池或电解槽的总体成本。

7、氮化钽还具有在高达约3000℃的温度下保持稳定的优点，这使其能够用于非常广泛的应用，包括在非常高的温度下。

8、在一些实施例中，主层基本上由掺杂有选自过渡金属或镧系元素的一种或多种掺杂元素的氮化钽制成。因此主层基本上是均匀的。

9、在某些实施例中，主层是两相或多相的。特别地，主层可以具有成分梯度，例如在垂直于基板的方向上。

10、在某些实施例中，主层基本上由氮化钽制成。相反，主层可以具有影响氮化钽的晶体结构和/或掺杂的成分变化。特别是，晶体结构梯度能够改善涂层与其基板之间的应力调节，这通过限制涂层的裂纹和/或分层来改善整个系统的机械性能。

11、在某些实施例中，燃料电池或电解槽的电解质是陶瓷，优选用氧化钇稳定的氧化锆(ysz)。

12、在一些实施例中，燃料电池或电解槽的电解质是质子交换陶瓷。

13、在某些实施例中，该部件在燃料电池或电解槽内具有导电功能。特别地，该部件可以是端板、双极板或者甚至是用于燃料电池或电解槽的互连器。

14、在一些实施例中，基板是金属的。

15、在一些实施例中，基板是钢。它尤其可以是不锈钢，例如316l不锈钢。事实上，由于防腐涂层提供的防腐保护，可以使用相对便宜的材料作为基板，尤其是不锈钢，即使它本身不具有非常高的防腐性能。

16、在一些实施例中，基板由基于钛、铝、镍或这些元素中的至少一种的合金制成。这些金属也相对便宜。

17、在一些实施例中，基板是非金属的。它可以特别地由石墨或复合材料制成，例如与有机或陶瓷基体的复合材料。

18、在一些实施例中，主层氮化钽的晶系是六方晶系。更具体地，除了优异的耐腐蚀性之外，六方氮化钽的导电率几乎与金一样好。

19、在一些实施例中，主层氮化钽晶系是立方的。更具体地，虽然立方氮化钽的导电性比六方氮化钽稍差，但立方氮化钽也具有优异的耐腐蚀性，特别是当像这里的情况那样进行掺杂时。

20、在某些实施例中，主层内掺杂剂的总含量为1ppm至10at％之间，优选为10ppm至1at％之间，更优选为0.2至0.5at％之间。

21、在某些实施例中，主要掺杂元素选自锆、铪、钇、铯、钕、钐、钆或镝。

22、在某些实施例中，所使用的掺杂元素，优选地唯一的一种，是钇(y)。更具体地，在大多数固体氧化物电解质燃料电池中，电解质已经包含钇。因此，即使涂层中的一小部分钇释放到燃料电池环境中，其影响也会减少，因为它不会影响电解质。

23、在某些实施例中，主层内的主要掺杂剂的含量为1ppm至10at％之间，优选为10ppm至1at％之间，更优选为0.2至0.5at％之间。

24、在某些实施例中，防腐涂层的厚度在5nm和5μm之间，优选在10nm和1μm之间，更优选在100nm和300nm之间。

25、在某些实施例中，防腐涂层包括数个叠置层，优选2至10层，主层的材料构成主要材料，并且防腐涂层包括至少一个基于不同于主要材料的次要材料的次要层。这种多层结构可以增强涂层的机械强度，两个不同层之间的每个界面都有助于偏转材料中出现的任何裂纹。因此，可以降低裂纹扩展至基板的风险，从而使基板保持免受腐蚀。

26、在某些实施例中，防腐涂层包括至少三层，每层均包含不同的材料。

27、在某些实施例中，涂层的每层的厚度为1至500nm，优选10至100nm。

28、在某些实施例中，防腐涂层的最上层是由主材料制成的主层。因此，第一道保护线由主要材料确保，通常是具有最佳防腐性能的材料。然而，在其他实施例中，防腐涂层的最上层可以是次要层。

29、在一些实施例中，主要材料构成防腐涂层的至少30体积％，优选至少50体积％。总的来说，这确保了特别高的腐蚀保护。

30、在某些实施例中，防腐涂层包括基于主要材料和基于次要材料交替布置的交替层。这种交替对于在裂纹到达基板之前阻止裂纹特别有效。

31、在某些实施例中，次要材料是具有与主要材料不同的晶系和/或掺杂的结晶氮化钽。特别地，次要材料可以包括一种或多种不同的掺杂元素，或者可以是未掺杂的。这样，次要材料的防腐性能仍然非常高，即使在主层破裂的情况下也能确保令人满意的防腐保护。

32、在某些实施例中，次要层基本上由次要材料组成。

33、在一些实施例中，次要层是两相或多相的。特别地，次要层可以具有成分梯度，例如在垂直于基板的方向上。

34、在一些实施例中，次要层基本上由氮化钽制成。相反，次要层可以具有影响氮化钽的晶体结构和/或掺杂的成分变化。特别地，具有晶体结构梯度的层能够改善给定层和下面的层之间的应力调节，这通过限制界面处涂层的裂纹和/或分层来改善整个系统的机械性能。掺杂梯度同样可以更好地协调两个连续的层，避免成分的突然变化，这种变化可能会产生机械上更脆弱的界面。

35、在一些实施例中，使用共溅射方法来沉积主层。该共溅射方法尤其可以组合使用钽靶的高功率脉冲磁控溅射(“hipims”)和使用包含掺杂元素的靶的磁控溅射。高功率脉冲磁控溅射方法的示例特别描述于文献fr3 097 237中。

36、本公开还涉及一种具有固体氧化物电解质的燃料电池或电解槽，其包括至少一种根据前述实施例中任一项所述的部件。

37、在某些实施例中，燃料电池是固体氧化物燃料电池(sofc)类型。

38、在一些实施例中，燃料电池是质子陶瓷燃料电池(pcfc)类型。

39、在一些实施例中，燃料电池是直接碳燃料电池(dcfc)类型。

40、在一些实施例中，燃料电池被配置为由气体燃料提供动力。

41、在某些实施例中，燃料电池被配置为供给分子氢h 2、氨nh3或甲烷ch4。

42、在某些实施例中，燃料电池被配置为供应富含碳c的燃料，优选地基于煤或生物质。

43、在本公开中，当给定材料代表该部件或部件的一部分的组成中按质量计的主要材料时，认为该部件或部件的一部分是由给定材料制成的。

44、在本发明中，当部件的至少80％、优选90％、更优选99％由给定材料形成时，认为部件或部件的一部分基本上由给定材料制成。

45、上述特征和优点以及其他特征和优点将通过阅读所提出的部件和燃料电池的示例性实施例的以下详细描述而显现。该详细描述参考了附图。