[发明专利]无污染的电化学稳定的玻璃料密封材料和使用该密封材料的密封件和装置

说明书

发明领域

本发明一般涉及玻璃料密封材料，如不含碱金属和硼的硅酸盐玻璃料密封材料，更具体地，涉及适合用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的密封件的玻璃料密封材料。

发明背景

如固体氧化物燃料电池(SOFC)装置的燃料电池组合件中的密封材料的目的是在燃料电池框架和该燃料电池中包含的电解质之间提供坚固的气密式密封。所述密封材料必须能够在升高温度和重复的热循环中具有延长的使用寿命。例如，燃料电池装置中经受大的热循环和热梯度，这会在燃料电池的部件中诱发热应力。如果密封材料以不同于框架或电解质片的热膨胀率发生膨胀，则密封材料会发生碎裂，或引起电解质片碎裂。因此，燃料电池玻璃料中使用的密封材料必须能够承受高温度波动并且具有与燃料电池中使用的电解质片以及燃料电池框架包含的材料相容的热膨胀系数(CTE)。

除了这些物理要求外，密封材料还必须满足一些特定的化学要求。例如，密封材料不能因为固体氧化物燃料电池阴极污染或者燃料电池中包含的其他部件的污染而使装置的电操作性能下降。此外，密封材料必须是电化学稳定的，在施加的电场下没有离子迁移，离子迁移可能导致因产生氧气小泡的故障。密封材料在要求的密封温度范围还应具有合格的流动特性。用于形成硬质密封件的玻璃料密封材料除了具有合格的流动特性和机械坚固性外，在要求的密封范围应显示结晶。

尽管有这些要求，目前用于玻璃料密封材料的许多材料组合物含有Li₂O、B₂O₃和/或其他碱金属氧化物。含这些氧化物的密封材料可能发生污染，是电化学不稳定的，以及/或者缺乏坚固性。更具体地，含Li₂O的玻璃料密封材料可能导致电化学性能下降，而含B₂O₃的玻璃料密封材料可能导致阴极污染。在上述的任一种情况，燃料电池的性能因存在这类材料而下降。

因此，需要一种改进的用于固体氧化物燃料电池的玻璃料基密封材料。

发明概述

在一个实施方式中，固体氧化物燃料电池(SOFC)装置包括以下各层：固体电解质、阴极板、阳极板、框架和无污染的电化学稳定的密封材料。例如，各电解质片支承多个互连的阴极和阳极，形成多电池的SOFC装置。所述密封材料的CTE约为95x10^-7/℃至115x10^-7/℃。密封材料包含约65-100重量％玻璃料和约0-35重量％填充材料。玻璃料可包含约0-43摩尔％表示为RO的金属氧化物，其中R包括镁、钙、锶、钡、锌和/或它们的组合。玻璃料还可包含约0-5摩尔％Al₂O₃；约0-7摩尔％TiO₂；和约40-60摩尔％SiO₂。例如，玻璃料可包含0.1-5摩尔％Al₂O₃和0.1-7摩尔％TiO₂。

在另一个实施方式中，用于与固体氧化物燃料电池装置结合的密封材料包含约80-100重量％玻璃料和约0-20重量％填充材料。玻璃料可包含约0-10摩尔％MgO；约5-15摩尔％CaO；约5-15摩尔％SrO；约0.1-10摩尔％BaO；约0-10摩尔％ZnO；约0-5摩尔％TiO₂(如，0.1摩尔％TiO₂，或4摩尔％TiO₂)；和约40-60摩尔％(如56摩尔％)SiO₂。例如，玻璃料可包含0.1-10摩尔％MgO和0.1-10摩尔％ZnO。所述密封材料的热膨胀系数约为95x10^-7/℃至115x10^-7/℃。

在另一个实施方式中，用于与固体氧化物燃料电池装置结合的密封材料包含约80-100重量％玻璃料和约0-20重量％填充材料。所述玻璃料可包含约33-43摩尔％CaO；约9-12摩尔％SrO；约2-3摩尔％ZnO；约2.5-5摩尔％Al₂O₃；和约40-48摩尔％SiO₂。所述密封材料的热膨胀系数约为94x10^-7/℃至115x10^-7/℃。