具有陶瓷芯的金属密封件的制作方法
【专利摘要】密封件包括：电气绝缘材料的中心层（5）；两个金属外层（6、7），轴承图案（8、9）能够通过在待密封的支承面（2、3）上压平而变形，从而夹持密封件，同时为连接件提供密封屏障；以及，玻璃状材料的中间层（10、11），以在其中提供连接同时吸收由于差胀而带来的变形。本发明的密封件适用于高温电解或燃料电池。
【专利说明】具有陶瓷芯的金属密封件
【技术领域】
[0001]本发明的目的是提供一种具有金属面的密封件，该密封件的显著性质是其为电绝缘体。
[0002]应用主要涉及通过在高温电解槽(称为HTE)中分解水分子而进行的氢的生成和/或从SOFC (固体氧化物燃料电池)型燃料电池中的燃料气体进行的电力生成，然而这些用途并不是详尽的。在这两种情况中，在这些生产过程中使用的电化学电池都会导致高温。
【背景技术】
[0003]高温水蒸汽电解槽工序的核心处存在三个主要元件。
[0004]电化学电池在致密电解液的任意一侧上由三个层、两个多孔电极层、阴极和阳极组成。当将合适的电压施加至电解液时，该电解液(经常是陶瓷)变成离子导电体。
[0005]两个连接片(分别连接至阳极和阴极的阳极连接片和阴极连接片)与电池的多孔电极相接触。连接片通过密封件能够与电池电解液相接触以密封阳极腔室和阴极腔室。
[0006]在运行原理中，当与阴极相接触的时候，作为蒸汽的水被分解。在阴极侧上形成氢，而氧离子经由电解液(离子导电体)被传递至阳极腔室，在阳极腔室中氧离子在电极处重新结合。
[0007]流体的输送和排出需要在电解槽的不同元件之间实现大量的密封件，以防止氢和氧的重新结合，且防止产生的气体泄露到电解槽外。
[0008]已经识别待密封的两类部位:在连接片之间必须具有电气绝缘密封处的金属/金属界面；以及，金属/陶瓷界面，该金属/陶瓷界面需要在热力瞬态过程中适应由于这些材料的热膨胀系数中的差异所产生的剪应力的密封件；在电解槽中采用的金属类型比陶瓷元件更易于膨胀。
[0009]脆性材料(例如电池电解液)的存在导致压力受限，并且因此导致该密封件的紧固力受限。
[0010]在中长期中，也应考虑其它元素，例如连接片的可拆卸性和可再利用方面。
[0011]在电池间隙处存在的密封件应当在电池间隙处可能出现的几百摄氏度的高温下保持良好的密封。温度中的变动不仅会损坏大多数的常规材料，而且还会由于两个支承面(密封件被放置在该两个支承面之间)的差胀或由于电池中的非均匀温度而对密封件产生高剪应力。需要重视的另一个要求是密封件应该是电气绝缘的。
[0012]大部分材料并不具备这些性质。在高温下不易损坏的材料往往是机械上易碎的且因此剪应力强度较低，而有韧性或易于断裂但在剪应力下不会折断的材料很可能没有足够的密封性质。所有这些材料也往往在高温下被损坏，从而失去它们最初的性质，使得它们失效。这些材料中的许多不是电气绝缘的。最后，这些材料中的一些对由电池气氛造成的腐蚀是敏感的。
[0013]目前，没有密封件符合本类型应用所需的所有标准。
[0014]与我们的发明最相似的密封件记载在名称为“Joint d' etancheiteentre deuxelements ? coefficients de dilatation thermique differents，，且用于 N ° E.N.:0957344。该密封件为金属密封件，它主要的优势正如其名称所提出的是适应热膨胀，然而它的制造是复杂的。此外，该密封件是导电的，因此不能被放置在高温水蒸汽电解液的两个连接片之间。
[0015]所谓的压缩密封件(通常为云母)在随时间逐渐碎裂并且往往需要显著的紧固力。
[0016]焊料类密封件具有与高温电解槽环境的化学相容性的问题。
[0017]玻璃状或玻璃-陶瓷材料的密封件通常导致例如当打开电解槽进行维修时破坏电池，这是由于一旦密封件形成，该密封件紧紧附着至支承面并且导致电池电解液中断。由于该类型的材料在支承面上留下的沉积，连接片几乎不能重复利用。总体来说，玻璃状或玻璃-陶瓷材料的密封件不能方便地拆卸，并且不能回收高温水蒸气电解槽的主要元件。
【发明内容】
[0018]本发明的密封件对象具有不同材料的层的组合，该不同材料的层的组合避免了这些不足并且能够用于例如在800°C下密封电池，且对于几百毫巴或甚至I巴的压差具有大约2.1O^5Pa.m3.s_1的密封率(sealing rate)。该密封件是电气绝缘的,且它的抗腐蚀性是足够的。该密封件能够被容易且恰当地拆卸。
[0019]通常来说，本发明涉及一种用于在几百摄氏度的运行温度下工作的密封件，特征在于，所述密封件在电气绝缘的中心层的任意一侧上包括:提供有图案的金属外层，所述图案用于固定至待密封的支承面；以及，在所述外层和所述中心层之间的粘合层，所述粘合层在运行温度下为玻璃状材料或玻璃-陶瓷材料。
【具体实施方式】
[0020]现将结合附图描述本发明。密封件I被压缩在两个彼此对立的平坦的支承面2和支承面3之间。这样有助于密封通过包括支承面2和支承面3的部件进一步限定的电池4。它可以在圆形、多边形或其它任何线上延伸。
[0021]密封件I首先由电气绝缘材料的中心层5形成，并且选择密封件I以对于气体扩散具有低渗透率并且对于腐蚀气氛具有良好的化学惰性。该芯层具有适用于该密封件专用外壳的厚度。
[0022]密封件的外表面由分别面向支承面2和支承面3的两个金属层或垫圈6和垫圈7形成，且在外表面的中间为具有三角形的横截面的凸起的图案8和凸起的图案9，并且外表面的顶端与相应的支承面2或支承面3相接触。然而，当施加提供密封所需要的紧固力时，这些顶端被压平并且它们的材料与支承面2和支承面3的材料紧密接触，有助于在该位置建立良好的密封。该紧固并未伴随密封件I的过度压缩，变形集中到韧性材料的图案8和图案9。
[0023]粘合层10和粘合层11将金属层6和金属层7连接至芯中心层5。粘合层10和粘合层11为在运行中达到的温度下不会呈现结晶化的玻璃状材料(例如玻璃)或玻璃-陶瓷。在同一密封元件上，粘合层10和粘合层11取决于接触的支承面可以有相同或不同的特性。
[0024]除了其径向和周向密封系统的功能之外，由金属垫圈6和金属垫圈7,粘合层10和粘合层11及芯5组成的层堆具有吸收由于支承面2和支承面3的差胀所产生的剪应力的功能。
[0025]不同的层可由条片制成，从而使得密封件的制造相当于层的切断和装配，因此是简单的，尤其是没有任何焊缝。降低了密封件的整个空间。密封件的拆卸和更换也是容易的。它们(即支承面2和支承面3)对环境的影响仅仅是适度的且不会引起它们再利用的任何显著改变。
[0026]一些合适的材料为:
[0027]对于芯中心层5:理想地，氧化钇的氧化锆型陶瓷(YSZ)对于电化学电池的中心元件是常见的，玻璃陶瓷Macor?易于加工且具有接近于氧化锆和中间连接器的金属材料的热膨胀系数，然而氧化铝(Al2O3)也可用于例如其它应用；
[0028]对于外金属层6和外金属层7:商标名FeCrAlloy的商购的0C404型的铁_、铬-和铝-类合金，或甚至超弹性合金(例如铬镍铁合金718SPF)；
[0029]对于中间粘合层10和中间粘合层11:高硅钠和硼酸铝玻璃，例如购自CEA的JV36 ;硅酸铝钙玻璃-陶瓷，例如购自CEA的CAS ;购自Schott的商业溶液，8422 (玻璃)，G018-304 (玻璃-陶瓷)。
[0030]总之，这些商标是已被注册过的。
【权利要求】
1.一种用于在几百摄氏度的运行温度下工作的密封件(1)，其特征在于，所述密封件在电气绝缘的中心层(5)的任意一侧上包括:提供有图案(8、9)的金属外层(6、7)，所述图案(8、9)用于固定至待密封的支承面；以及，在所述外层和所述中心层之间的粘合层(10、11)，所述粘合层在所述运行温度下为玻璃状材料或玻璃-陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，取决于待密封的界面，所述粘合层(10、11)为相同的或不同的。
3.根据权利要求1或2所述的密封件，其特征在于，所述图案具有顶端指向所述支承面的三角形横截面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的密封件，其特征在于，所述金属层(6、7)比所述中心层(12)薄。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的密封件，其特征在于，所述中心层为陶瓷。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的密封件，其特征在于，取决于在所述支承面(2和3)之间的中间热膨胀系数选择所述粘合层(10和11)和所述中心层。
【文档编号】H01M8/24GK103502703SQ201280018427
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年4月19日 优先权日:2011年4月22日
【发明者】弗朗索瓦·帕勒莫, 莱昂内尔·布鲁古伊雷 申请人:原子能和替代能源委员会, 泰内帝集团法国公司