[发明专利]用于固体氧化物电解池堆的复合玻璃密封件

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含复合玻璃密封件的固体氧化物电池(SOC)堆，其中，所述电池堆在较宽的运行温度范围和氧分压范围下都是热力学稳定的；本发明还涉及一种制备密封SOC堆的方法。

背景技术

固体氧化物电池(SOC)通常包括设计用于不同用途的电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)或固体氧化物电解池(SOEC)。由于它们的共同的基本结构，例如，相同的电池可以用于SOFC用途和SOEC用途。因为在SOFC中将燃料供给到电池中并转化为电能，而在SOEC中将电能用于产生燃料，所以这些电池通常称作“可逆”SOC。

固体氧化物电池可以具有多种设计。典型的结构包括夹在两个电极之间的电解质层。在电池运行期间，通常在大约500℃至大约1100℃的温度下，一个电极与氧或空气接触，而另一电极与燃料气体接触。

在现有技术中最常见的制备方法包括单电池的制备。一般而言，设置支撑体，在其上形成电极层，接着涂布电解质层。干燥按照这样形成的半电池，然后进行烧结，在某些情形下，在还原气氛中进行烧结。最终，在其上形成第二电极从而得到完整的电池。或者，所述电极层或电解质层中的一个可以用作支撑体层，厚度为大约300μm以上。

在通常的运行条件下，单电池电压为大约1±0.5伏特。为了从SOC中获得高电压和电能，因此必须将许多电池堆叠在一起。最常见的制备SOC平面堆的方法包括制备多个单电池。这些电池依次与连接体(interconnect)、集流体(current collector)、接触层和密封件(seal)堆叠在一起。在组装后，在垂直载荷条件下通过加热处理使电池堆结为一体/密封以确保密封以及各组件之间的电接触。气密密封对于燃料电池和电解池堆的性能、耐久性和安全运行十分重要。

基于二氧化硅的玻璃是SOC的适合密封材料，因为玻璃的物理和化学性能可以在较宽的范围内调整。已经在碱金属硅酸盐、碱金属铝硅酸盐、碱土金属硅酸盐、碱土金属铝硼硅酸盐和硼硅玻璃的范围内检测了不同的玻璃和玻璃-陶瓷组合物。然而，虽然已经报道了令人满意的结果，但是它们都不能同时满足机械性能(例如粘度和热膨胀系数的匹配)和化学相容性(例如润湿性和粘附性)的要求。

为了调节聚合硅玻璃的性能，在熔融时需要加入网络改性剂和网络形成剂(network former)。例如，加入含Na的化合物以增加热膨胀系数，以及加入含Al的化合物以平衡电荷并由此避免Na的键断裂作用，即，防止玻璃网络中SiO₄^4-四面体的解聚。

然而，特别是当SOC用作电解池时，在电池运行期间在燃料气体电极处的条件十分关键，因为肯定存在水蒸气。高水汽蒸气压和高温导致玻璃密封件的腐蚀。玻璃密封件的一些组分，例如，SiO₂和Na₂O可以与水和氢反应从而形成具有高蒸气压的挥发物。然后，所述挥发物可以被转移到电池的相邻电极层中并沉积在反应活性部位上，从而阻断并钝化这些活性部位。因此，由于活性部位的减少，电极的性能随着时间而下降。

发明内容

本发明的目的

考虑到目前为止仍在使用的玻璃密封件的缺点，因此本发明的目的是提供一种具有优异的耐久性、延长的寿命和良好性能的改进的SOEC堆，以及提供制备所述SOEC堆的方法。

概要

上述目的可通过固体氧化物电池堆实现，该电池堆包括：

-至少两个电池，其每一个都包括第一电极层(1)、电解质层(2)和第二电极层(3)，

-气体通道；和

-密封组件(4)，

其中，所述密封组件(4)包括玻璃组分(4a)和包含金属氧化物或金属氧化物前体的组分(4b)，以及其中所述包含金属氧化物或金属氧化物前体的组分(4b)至少位于玻璃组分(4a)与气体通道之间。

通过制备上述固体氧化物电池堆的方法进一步实现上述目的，该方法包括如下步骤：

-提供至少两个SOC电池，其每一个都包括第一电极层或电极前体层(1)、电解质层(2)、第二电极层或电极前体层(3)；

-堆叠至少两个电池从而形成包括气体通道的电池堆；和

-用密封组件(4)密封所述电池堆，

其中，所述密封组件(4)包括玻璃组分(4a)和包含金属氧化物或金属氧化物前体的组分(4b)，以及其中，所述包含金属氧化物或金属氧化物前体的组分(4b)至少位于玻璃组分(4a)与气体通道之间。