[发明专利]中温平板式固体氧化物燃料电池堆的密封材料及密封方法

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池领域，更具体地，涉及一种中温平板式固体氧化物燃料电池堆所使用的密封材料及其相应的密封方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种将化石燃料（煤、石油、天然气以及其碳氢化合物等）中的化学能转换为电能的发电装置，能量转换是通过电极上的电化学过程来进行的。与以燃烧为基础的传统发电方式相比，SOFC技术极大地降低了化石燃料在能量转换中的能量损失和对环境的破坏，是一种高效、无污染的发电装置。目前，SOFC堆的结构主要有管式、平板式等。

平板式固体氧化物燃料电池堆可以提供比管式更高的能量密度和更优异的性能，但是需要性能良好的密封材料。密封材料需要在高温的空气和燃料气氛中保持稳定性，且和燃料电池的其他部分有良好的化学相容性，因此，密封材料的制备成了平板固体氧化物燃料电池发展过程中的主要挑战之一。由于密封材料的漏气率会影响到电池的电势，甚至带来安全问题。而且密封材料在工作温度下会受到热应力影响，因此需要密封材料具有长期稳定的良好密封性能，并可耐热循环。

对于目前常规的SOFC堆的密封材料，主要包括以下类型：即玻璃和玻璃-陶瓷基密封材料、金属基密封材料和云母基密封材料。它们各自的优缺点是：金属基密封材料可经受一定的塑性变形，但容易被氧化和腐蚀，不绝缘，因此长期稳定性不佳；云母基密封材料不需要很精确的热匹配，但工作时需外加很高的载荷，热循环性能不好，而且含钾元素会导致毒化电极；对于玻璃和玻璃-陶瓷基密封材料而言，其易于规模化装备，封接简单，成本低廉，但缺点在于热稳定性不好，容易析晶，此外化学稳定性也不够好，脆性大，使用寿命低。

SOFC堆的常规密封材料按照可否压缩可分为三类：压密封，硬密封和自适应密封。其中压密封不需要严格的热循环系统匹配，热循环性能较好，但相应需要较大的负载压力，而且气体泄漏量高，不适合用于要求一定稳定性的移动设备；硬密封的密封性能好，绝缘，由于可柔性设计和组装，因而固定设备和移动设备皆可适用，但低温时脆性大，热循环性能差，会与电池其他组分发生反应。自适应密封是指密封材料在SOFC运行温度下有一定的塑性变形能力，在高温下可以抵消掉由温度变化产生的热应力，其优势是密封材料的热膨胀系数不用和SOFC的其他组件严格匹配，但缺点在于易被氧化，低电阻，会产生氢脆。研究表明，热应力是造成SOFC密封材料失效的最主要原因。因为密封材料和其他部分的热膨胀系数总存在差异，所以热应力总无法避免，但是如果密封材料通过在高温时产生的塑性变形耗散掉大部分热应力，就可提高SOFC的运行稳定性。Bloom等人研究发现，当密封材料的黏度在104~106Pa·s时，可以耗散掉热膨胀系数相差20%带来的热应力。自适应密封也对密封材料提出了更高的要求，首先对密封材料黏度的要求大大提高，若是黏度太低，密封材料会在高温渗入多孔的电极材料中，若是太高则不能有效的消除热应力。而且对密封材料和电池其他部分的化学相容性也提出了更高的要求，因为密封材料的黏度低，和电池其他部分的扩散更加容易，如果化学相容性不好，则密封材料和SOFC其他部分间的反应更快。当前自适应密封主要采用玻璃和玻璃-陶瓷基材料，通过玻璃的黏度来耗散热应力。然而，如上所指出地，目前的玻璃和玻璃-陶瓷基密封材料在热稳定性和化学稳定性等方面皆存在不足，因此对其成分和特性有必要作出进一步的改进。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种用于中温平板式固体氧化物燃料电池堆的密封材料及相应的密封方法，其通过对陶瓷-玻璃基密封材料的成分、颗粒尺寸、密封工艺等方面进行改进，由此可提供良好的绝缘性，避免电堆中不同电池单元之间的短路，并实现对工作温度为500度至800度的中温平板式固体氧化物燃料电池堆的有效密封。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于中温平板式固体氧化物燃料电池堆的密封材料，该密封材料包括：Al₂O₃粉体、玻璃粉体以及作为粘结剂和增塑剂的有机添加剂，其中：

所述玻璃粉体由质量百分比为20%~25%的BaO、质量百分比为10%~15%的B₂O₃、质量百分比为20%~25%的MgO、质量百分比为10%~15%的ZnO和质量百分比为30%~35%的SiO₂共同组成，其颗粒尺寸约5~10μm；

所述Al₂O₃粉体的颗粒尺寸约为1～10um。