[发明专利]一种玻璃-蛭石复合封接材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种玻璃‑蛭石复合封接材料及其制备方法和用途，所述复合封接材料为玻璃薄膜胚体和蛭石薄膜胚体依次叠放，形成多层的复合封接材料，条件是复合材料的两侧为玻璃胚体。本发明将玻璃与蛭石两种材料交叉叠放得到了三明治的封接结构，在测试温度下，玻璃软化润湿陶瓷与金属，并浸润蛭石层粗糙表面，与三者结合的更加紧密防止玻璃过度软化造成漏气率升高。蛭石层加热后孔隙率低，提高封接的气密性。本发明提出的复合封接材料和“三明治的”封接结构，使用温度范围宽，对玻璃的热膨胀系数要求低，封接气密性强，有效提高电池的性能及寿命。

技术领域

本发明涉及复合材料，特别是一种复合的封接材料，为玻璃-蛭石交叠形成，可以用作固体氧化物燃料电池的封接或其他异相封接。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以直接将化学能高效转化成电能的全固态发电装置，并且该过程不受卡诺循环的影响，发电效率高，反应过程环境友好无污染可靠性高。

SOFC电堆主要是由电极、电解质、连接体和封接材料组成。其中封接材料的性能优良直接影响电池堆的性能。在电池的运行过程中，需要向阴极和阳极分别通入氧气和氢气等气体，为防止气体泄漏以及阴阳极气体混合影响电池性能，因此要求封接材料有较强的气密性、合适的玻璃软化温度(Ts)、化学稳定性、与电池材料匹配的热膨胀系数等性质。在固体燃料电池的实际运行中，封接材料长期处于600-850℃的高温工作环境下，同时还有潮湿，氧化还原气氛的条件，因此需要在SOFC的封接材料具有好的耐高温性，耐湿性和化学稳定性。在电池测试温度下，封接材料接近玻璃软化状态更有利于封接，但是经常由于受热不均或加热时间过长等因素使玻璃封料部分结晶，应力增大，造成裂缝甚至使电池片断裂，或者过分软化，玻璃流失导致封料的气密性降低，严重影响电池寿命。

现有技术中固体燃料电池的封接采用特定组分的玻璃，这种单一相的材料作为封接材料，就必须保证其在工作温度下热膨胀系数和被封接的材料相近，限制了玻璃材料的应用范围，并且对玻璃的组分和工艺提出了非常严格的要求。比如CN 102910825 A提出了一种固体燃料电池用铋酸盐无铅封接玻璃，该铋酸盐无铅封接玻璃按质量百分含量计包括如下组分： (15-25)％的Bi₂O₃、(25-55)％的SiO₂、(0-10)％的Al₂O₃、(1-16)％的TiO₂、(5-20)％的碱土金属氧化物和(5-10)％的碱金属氧化物，该封接玻璃虽然满足了固体燃料电池封接材料所需的耐高温性能，也提供了热学和稳定的数据，但实际应用于固体燃料电池时会导致玻璃在工作温度软化后气密性下降，进而造成电池的运行效率和寿命变差。CN109841868 A提出了一种固体氧化物燃料电池复合密封剂，包含固态玻璃组分和液态玻璃组分；所述固态玻璃组分以 SiO₂为形成体，并含有碱金属元素和/或碱土金属元素作为改性剂。该专利仍需严格控制所得改性封接材料的热膨胀系数，才能实现和电池的匹配，限制了这种材料在实际固体燃料电池中的应用。

现有技术中也有关于得到多相复合结构的封接材料，比如CN106299399 A提出了一种固体氧化物燃料电池用复合封接材料，包括内核层材料、偶联层材料和外壳层材料；所述的内核层材料为涂覆在固体氧化物燃料电池器件与其他构件封接部位的银基胶；所述的偶联层材料为涂覆在内核层外周的银基I型玻璃复合胶；所述的外壳层材料为涂覆在偶联层外周的II型玻璃基胶。该专利中采用了核壳结构的封接材料，有利于在高温状态下保持较好的气密性，但是其制备工艺复杂，而且其封接性能还有待进一步提高。

因此，提高封接材料在高温下的气密性，降低空隙率和漏气率成为提高SOFC效率的关键技术之一。

发明内容