[发明专利]用于SOFC堆叠体的薄细颗粒化的并且全致密的玻璃-陶瓷密封物

说明书

相关申请

本申请要求于2009年12月31日提交的美国临时申请号61/335,155的权益。以上申请的全部传授内容都通过引用结合在此。

技术领域

燃料电池是一种通过化学反应来产生电能的装置。典型地，在燃料电池中，一种含氧的气体，如O₂，在阴极处被还原为氧离子（O^2-），并且一种燃料气体，例如H₂，在阳极被氧化，与氧离子形成水。在不同的燃料电池之中，固体氧化物燃料电池（SOFC）使用金属氧化物的硬质陶瓷化合物（例如钙或锆的氧化物）以形成燃料电池的部件，例如像，阳极、阴极、电解质、以及连接体。燃料电池一般被设计为堆叠体，由此将每个包括一个阴极、一个阳极、以及与该阴极与该阳极之间的一种固体电解质的多个子组件通过在一个子组件的阴极与另一个子组件的阳极之间定位一种电连接体进行串联组装。

总体上，使用防泄漏的密封物将燃料气体与氧气流分离。总体上，在SOFC中，将燃料气体与氧气分开的防泄漏的密封物在正常的操作过程中被暴露于升高的温度（例如，600°C-800°C）下。玻璃或玻璃-陶瓷材料典型地已经用于此类防泄漏的密封物。对于此类密封物的要求是气密性、完全致密性以及机械强度。这些要求典型地通过使用较厚（约0.5mm至约2mm）的密封物而实现。然而，在某些SOFC堆叠体设计中，优选的是保持该密封物的厚度尽可能的低，以降低在该堆叠体上由密封物诱导的应力。

需要可信赖的密封技术以在平面的固体氧化物燃料电池（SOFC）堆叠体中实现高的功率密度。在平面SOFC中，将密封剂与该电池的所有其他部件接触并且因此经受严格的要求，例如气密性、热膨胀系数（CTE）的匹配、以及在高温（800°C-1000°C）下在湿的还原气氛以及氧化气氛中的热稳定性。玻璃-陶瓷是最有希望的密封剂之一，因为通过控制玻璃的结晶（即，晶体的性质、形状以及体积分数），可以对材料的CTE进行调谐以匹配电池部件的CTE，例如像，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）、钛酸镧锶（LST）、锰酸镧锶（LSM）、以及氧化镍-YSZ复合材料。此外，玻璃-陶瓷展现了机械稳健性、在电池工作温度下的长期稳定性、电绝缘行为、良好的电池部件湿润性、并且作为分散在一种浆料中的玻璃料粉末或作为随后经受烧结以及结晶热处理的带流延片材易于施用到有待密封的表面上。然而，这种密封过程增加了对材料的额外限制，因为母体玻璃必须是足够流动的以润湿这些电池部件并且有效地烧结，从而不留下孔隙率，但是该材料需要是足够粘性的以便不流出。因此，理想的玻璃应该是在对于烧结而言最佳粘度的温度以上略微地结晶（约10⁷Pa·s至10⁸Pa·s）。用于控制玻璃的流变学的一个典型的途径一直是添加B₂O₃，但是此种添加可能对于该密封物在电池工作温度下的长期稳定性是有害的。

因此，存在一种需要来克服以上提及的问题或使其最小化。

发明内容

本发明总体上是针对一种用于固体氧化物燃料电池堆叠体的玻璃-陶瓷。