[发明专利]用于燃料电池的垫片

说明书

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的改进的垫片。更特别地，本发明涉及具有含涂布的膨胀蛭石的核心的垫片，该核心用于固体氧化物燃料/电解槽电池(SOFC和SOEC)。本发明还扩展到包括一个或多个改进的垫片的SOFC和SOEC。

背景技术

SOFC或SOEC堆需要有效的高温垫片以有效地操作。这种密封件将必须能基本上防止燃料（例如氢气）泄漏、燃料和氧化剂混合，以及氧化剂泄漏。据了解，密封件的热膨胀系数也应与周围部件相似，以避免应力。密封件也需要与堆组分和气体在化学上相容。此外，一些密封件需要是电绝缘的。

传统上，SOFC堆垫片为粘合垫片（如玻璃/玻璃 - 陶瓷或铜焊件）或非粘合（可压缩的）垫片。(例如，参见“A review of sealing technologies applicable to solid oxide electrolysis cells” P. Lessing, Journal of Materials Science, 2007, 42(10), 3465 – 3476)。

粘合垫片主要含有玻璃和玻璃-陶瓷并且其用物理和化学方法粘合至燃料电池的相关配合表面进行操作。玻璃密封件被设计成在SOFC操作温度上软化并黏稠地流动，以提供密封。当使SOFC冷却回到操作温度时，玻璃密封件固化以形成粘合的刚性密封件。这些类型的密封垫的缺点是，它们对热机械应力敏感，尤其是在热循环中。长期操作期间玻璃或玻璃-陶瓷的热膨胀系数的变化还可以产生另外的热机械应力，导致垫片失效。

可压缩的非粘合垫片更耐热循环，因为该垫片并非刚性地粘合至相邻部件。然而，这些类型的垫片的泄漏率通常较高。泄漏受界面泄漏路径控制，尤其是在低压缩应力时。可压缩垫片也需要比粘合密封件高得多的压缩应力。

最近，已经研发了多材料垫片。该垫片结合可压缩垫片和玻璃陶瓷垫片的性质。US2003/0203267 A1公开了一种在外层之间包括云母垫片的多层垫片，比如玻璃或玻璃-陶瓷材料。

WO2005/024280A1公开了渗入了玻璃形成材料的云母密封件。 WO2009/155184 A1公开了一部分云母材料邻近一部分密封材料的双重密封件。

SOFC堆需要压缩应力，以保证足够的密封性能，并在电池之间建立良好的电接触和互连。本领域的趋势向着更大的堆，这意味着要求更高的压缩力，以及更庞大的压缩系统。这可能导致较高的热损耗和由于设计挑战而限制实施。

以较低的表面应力保持或提高燃料电池垫片的密封性能是令人满意的。低表面应力会降低压缩系统的尺寸，并且导致堆设计的自由度更大。例如，互相连接的薄板将允许流动几何形状前进更多，并且还在相对脆弱的电池上施加更小的应力。这将导致更有效的堆的产生和在更低应力区域中的潜在应用。

还希望提供一种可在较低的表面应力下操作，同时在一系列的热循环和/或长期使用后保持或提高密封性能的垫片。对垫片仍有进一步的要求：当燃料电池在阳极和阴极之间具有不同的压力时产生良好的特性。此外，该垫片应该在期望的操作温度提供合适的密封性能。即使在较低温度下仍具有改进密封的能力，以减少堆的长期降解，将会是有利的。

发明内容

因此，本发明的方面的目的在于提供用于燃料电池的垫片，该垫片提供改进的性能。

根据本发明的第一方面，提供用于密封燃料电池的两个配合表面的垫片，该垫片包括含有膨胀蛭石的核心层，所述核心层置于第一和第二涂层之间，每个所述涂层包括玻璃、玻璃-陶瓷和/或陶瓷材料。

适当地，所述涂层覆盖所述芯层的表面的至少一部分。一般地，所述涂层邻近核心层以基本上覆盖核心层的整个表面。然而，该涂层可能与核心层的边缘重叠以在其各自的外周融合，从而将核心层密封在该涂层内。优选地，涂层形成该垫片的外层，使得该涂层与各自的配合表面接触，使用时，更优选地，该垫片层设置成使得使用时核心层基本上不与配合表面接触。但是，核心层和可选地，一些核心层的的涂层覆盖范围也可能小于100%以在使用时也与配合表面接触。

优选地，本发明的垫片用于SOFC或SOEC。该垫片优选地为用于SOFC或SOEC的垫片以减少气体泄漏。