本发明专利技术描述了一种用于密封燃料电池的两个配合表面的垫片。该垫片具有核心层，该核心层包括膨胀蛭石。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。本发明专利技术还描述了制造根据本发明专利技术的垫片的方法。同样限定了：固体氧化物电池或固体氧化物电池部件，其包括一个或多个垫片；该垫片提高固体氧化物电池的密封性能的用途；以及制造固体氧化物电池或密封固体氧化物电池的方法，其包括将至少一个垫片结合至固体氧化物电池中。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料电池的垫片
本专利技术涉及用于燃料电池的改进的垫片。更特别地，本专利技术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)。本专利技术还扩展到包括一个或多个改进的垫片的SOFC和SOEC。
技术介绍
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“Areviewofsealingtechnologiesapplicabletosolidoxideelectrolysiscells”P.Lessing,JournalofMaterialsScience,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。US2003/0203267A1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。WO2009/155184A1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。
技术实现思路
因此，本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，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，本专利技术的垫片用于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。有利地，已经令人惊奇地发现，根据本专利技术的第一方面的垫片在使用时展示了改进的泄漏率。同样令人惊奇地发现，改进的泄漏率在热循环之后得以保持，并且，此外，在一系列热循环之后可以实际上改进。即使增加的压力超过负荷和在广泛的温度范围上也已经获得低泄漏率。此外，有利地，虽然在所有的压缩应力水平存在增强的密封性，但已经发现，根据本专利技术的第一方面的垫片在相对低的压缩应力，典型地，小于0.5MPa，例如，在0.1MPa，特别提供改进的密封性质。通过在低压缩应力下操作SOFC或SOEC，电池堆模块可以使用体积较小的压缩系统，从而使设计更自由并提高效率。此外，通过低表面应力，可以使用互相连接的较薄的板而非蚀刻或加工板，并且更先进的流动几何形状是可能的。如上所述，该垫片的核心层包括膨胀蛭石。该核心层意为在较低温度下，特别是在低于涂料的玻璃转化温度下，比涂料更可压缩。相比全玻璃密封，这能降低热机械应力。优选地，该核心层在垂直于其正对表面的的方向是可压缩的。优选地，该膨胀蛭石是化学膨胀蛭石(CEV)。通过处理矿石并使其在水中膨胀而形成CEV。在一个可能的制备方法中，用饱和氯化钠溶液处理矿石，以把镁离子换成钠离子，然后通过正丁基氯化铵，用正C4-H9NH3离子取代钠离子。用水洗涤时发生膨胀。接着，将该膨胀材料进行高速剪切，以产生非常细的（直径小于50µm）蛭石颗粒的水悬浮液。也可从悬浮液中除去水以形成干CEV颗粒。优选的是，是通过合适的干燥技术，如技术人员周知的那些技术，制备干CEV。合适的干燥技术包括块状物干燥和磨碎、膜干燥和磨碎、旋转式热风干燥、喷雾干燥、冷冻干燥、气流干燥、部分干燥的固体流化床干燥，和真空方法，包括真空盘架干燥。典型地，本专利技术的核心层的密度优选1.7–2.0g/cm3，更典型地地，大约1.9g/cm3。优选地，CEV占核心层中总膨胀蛭石多达100%w/w，典型地占核心层中总膨胀蛭石的80-100%w/w，更典型地90-100%，一般为大约100%CEVw/w。核心层还可包括干燥得到的CEV，即在形成之前将CEV添加至干燥状态的核心组合物并干燥核心垫片组合物。但是，通常，CEV的来源为直接从蛭石矿石直接制备的水分散体。优选地，CEV的比例占至少30%w/w的核心层，更优选地占至少35%的核心层。典型地，CEV的水平落入30–70%w/w的核心层，更典型地，落入35–65%w/w的核心层，最典型地，落入40-55%w/w的核心层的范围内。优选地，该核心层为膨胀蛭石箔片，该膨胀蛭石通过压延湿面团组合物，或在用刮片扩展湿面团组合物之后通过干燥形成。除了膨胀蛭石之外，该核心层可以进一步包括其它组分。例如，该核心层可以进一步包括合适的填料。优选的填料是滑石。滑石填料的例子是MagsilDiamondD200，其可以从RichardBakerHarrisonLimited获得。优选地，填料的比例占至少40％w/w的核心层，最优选，占至少45％w/w的核心层。典型地，填料的水平落入70–30%w/w的核心层的范围；更典型地落入65-35％w/w的核心层的范围，最典型地落入60–48%w/w的核心层的范围。优选地，通过MalvernSizer3601确定本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于密封燃料电池的两个配合表面的垫片，包括核心层和第一、第二涂层，所述核心层包括膨胀蛭石，并被夹在所述第一和第二涂层之间，所述第一和第二涂层中的每个涂层均包括玻璃、玻璃‑陶瓷和/或陶瓷材料。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.01.21 GB 1301037.6;2013.10.03 GB 1317549.21.一种用于密封燃料电池的两个配合表面的垫片，包括核心层和第一、第二涂层，所述核心层包括膨胀蛭石，并被夹在所述第一和第二涂层之间，所述第一和第二涂层中的每个涂层均包括玻璃、玻璃-陶瓷和/或陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的垫片，其特征在于，所述核心层的密度为1.7–2.0g/cm3。3.根据权利要求1所述的垫片，其特征在于，当温度低于涂料的玻璃转化温度时，所述核心层比涂层更可压缩。4.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，所述核心层在垂直于其正对表面的方向是可压缩的。5.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，所述膨胀蛭石是化学膨胀蛭石。6.根据权利要求5所述的垫片，其特征在于，化学膨胀蛭石在所述核心层中的占比至少为30％w/w。7.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，膨胀蛭石核心层的厚度范围为10–2000μm。8.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，所述涂层具有无定形、结晶或半结晶特征。9.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，所述玻璃、玻璃-陶瓷和/或陶瓷材料的软化温度范围在450至1000℃之间。10.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，该玻璃和/或玻璃-陶瓷材料选自SchottGM31107、KerafolTMKeraGlasSTK01或HCStarckHCS3。11.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，每个涂层的厚度在0.1至50μm之间。12.根据权利要求1至3中任一项所述的垫片，其特征在于，玻璃或玻璃-陶瓷涂料的密度范围为2–4g/cm3。13.一种用于制造权利要求1-12中任意一项所述的垫片的方法，包括如下步骤：a.在膨胀蛭石垫片核心层的每个相对表面上涂布玻璃或玻璃-陶瓷层；b.将经过涂布的垫片置于燃料电池的待密封的配合表面之间。14.一种用于制造权利要求1-12中任意一项所述的垫片的方法，包括如下步骤：a.在每个待密封的配合表面上涂布玻璃或玻璃-陶瓷层；b.将膨胀蛭石垫片核心层置于待密封的、经过涂布的配合表面之间；c.将经过涂布的表面和夹在表面之间的垫片核心层配合在一起。15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，以液体悬浮液或糊型制剂的方式涂布所述涂层。16.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·霍耶斯，马库斯·劳塔宁，奥利·希马宁，亚里·基维亚霍，
申请(专利权)人：福莱西投资公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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