固体氧化物燃料电池的密封件及其制备方法与流程

本发明涉及固体氧化物燃料电池，具体而言，涉及一种固体氧化物燃料电池的密封件及其制备方法。

背景技术：

1、相关技术中，管式固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，简称sofc）采用流延密封件，密封件成型后还需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封。管式固体氧化物燃料电池可以利用自身结构优势， 形成闭合的空间来避免燃料气与空气的接触，但存在着欧姆损失大，体积功率密度低，工艺复杂，制造成本高等问题。

技术实现思路

1、为了解决或改善上述技术问题至少之一，本发明的一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法，以使制备得到的密封件以密封层的形式覆盖在电池的密封区域，具有良好的致密度以及高阻抗，成型后不需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封，密封性能更佳。

2、本发明的另一个目的在于提供一种固体氧化物燃料电池的密封件。

3、为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法，包括：将氧化铝、氧化镍、二氧化硅、氧化锌、一氧化锆和氧化硼进行混合，得到混合物料；将混合物料进行烧结，得到密封玻璃；将密封玻璃进行冷却降温，并研磨成粉末，得到玻璃粉；将玻璃粉通过等离子体喷涂工艺沉积在电池的密封区域，得到密封件。

4、根据本发明提供的固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法的技术方案，提供了一种固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法，具有制备方法简单且成本低的优点。此外，制备得到的密封件以密封层的形式覆盖在电池的密封区域，具有良好的致密度以及高阻抗，成型后不需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封，密封性能更佳。

5、固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，是一种能够在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效转化为电能的全固态化学发电装置。

6、固体氧化物燃料电池主要包括：电解质（electrolyte），阳极或燃料极（anode，fuel electrode），阴极或空气极（cathode，air electrode），连接体（interconnect）或双极板（bipolar separator）。固体氧化物燃料电池的工作原理与其它燃料电池类似，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和固体氧化物电解质组成，阳极为燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂。工作时相当于一个直流电源，其阳极为电源负极，阴极为电源正极。

7、在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如氢气（h2）、甲烷（ch4）、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用得到o2-，在化学势的作用下，o2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

8、电解质作为固体氧化物燃料电池最核心的部件，一方面，起到在阴、阳两极之间传导氧离子和/或质子的作用；另一方面，能够分隔燃料和氧化气体，以防止它们直接接触而发生化学反应，导致电池失效。电解质特性不仅直接影响电池的工作温度以及电能转换效率，还决定了与其相匹配的电极材料以及相应配备技术的选择。目前根据电解质传导物质的不同，固体氧化物燃料电池可分为阳离子传导、质子传导、氧离子-质子共传导三种类型。

9、单电池只能产生1v左右电压，功率有限，为了使得sofc具有实际应用可能，需要大大提高sofc的功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式（串联、并联、混联）组装成电池组。电池组的结构主要包括：管状（tubular）、平板型（planar）和整体型（unique），其中平板型因功率密度高和制作成本低而成为sofc的发展趋势。

10、具体而言，固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法的步骤包括：

11、第一步，将氧化铝、氧化镍、二氧化硅、氧化锌、一氧化锆和氧化硼进行混合，得到混合物料；

12、第二步，将混合物料进行烧结，得到密封玻璃。可选地，烧结时的温度为1100℃至1400℃。通过控制烧结温度，确保混合物料中的各元素能够进行组合，得到密封玻璃；

13、第三步，将密封玻璃进行冷却降温，并研磨成粉末，得到玻璃粉；

14、第四步，将玻璃粉通过等离子体喷涂工艺沉积在电池的密封区域，得到密封件。

15、本发明提供了一种固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法，具有制备方法简单且成本低的优点。此外，制备得到的密封件以密封层的形式覆盖在电池的密封区域，具有良好的致密度以及高阻抗，成型后不需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封，密封性能更佳。

16、另外，本发明提供的上述技术方案还可以具有如下附加技术特征：

17、在一些技术方案中，可选地，将玻璃粉通过等离子体喷涂工艺沉积在电池的密封区域，得到密封件，具体为：通过等离子体火炬对玻璃粉进行高温处理，玻璃粉在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂，玻璃粉熔化为液滴后沉积在电池的密封区域，得到密封件。

18、在该技术方案中，等离子体火炬（亦称等离子体发生器或等离子体加热系统）通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。等离子体火炬具有等离子体火焰，等离子体火焰的中心温度超过10000℃。玻璃粉在保护气体以及辅助气体的氛围下向等离子体火炬的等离子体火焰进行喷涂。可选地，保护气体为氩气和/或氮气；辅助气体为氧气。在喷涂过程中，辅助气体用于加速玻璃粉熔化为液滴。液滴在保护气体吹扫的作用下能够均匀沉积在电池的密封区域。制备得到的密封件以密封层的形式覆盖在电池的密封区域，具有良好的致密度以及高阻抗，成型后不需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封，密封性能更佳。

19、在一些技术方案中，可选地，保护气体为氩气。

20、在该技术方案中，氩气作为惰性气体，不会与玻璃粉发生化学反应，以确保所制备的密封件的纯净程度。另外，在喷涂过程中，玻璃粉经过等离子体火炬的高温处理，并且熔化为液滴后，氩气能够对液滴进行吹扫，以使液滴均匀沉积在电池的密封区域。

21、在一些技术方案中，可选地，氩气的流速为70l/min至130l/min（例如，80l/min、90l/min、100l/min、110l/min或120l/min）。

22、在该技术方案中，通过控制氩气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，保护气体具备足够大的流量，确保所制备的密封件的纯净程度，还可以在喷涂过程中对液滴进行吹扫，以使液滴均匀沉积在电池的密封区域；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。

23、在一些技术方案中，可选地，保护气体为氮气。

24、在该技术方案中，氮气作为惰性气体，不会与玻璃粉发生化学反应，以确保所制备的密封件的纯净程度。另外，在喷涂过程中，玻璃粉经过等离子体火炬的高温处理，并且熔化为液滴后，氮气能够对液滴进行吹扫，以使液滴均匀沉积在电池的密封区域。

25、在一些技术方案中，可选地，氮气的流速为20l/min至100l/min（例如，40l/min、50l/min、60l/min或80l/min）。

26、在该技术方案中，通过控制氮气的流量，一方面，可以避免保护气体的流量过低，保护气体具备足够大的流量，确保所制备的密封件的纯净程度，还可以在喷涂过程中对液滴进行吹扫，以使液滴均匀沉积在电池的密封区域；另一方面，可以避免保护气体的流量过大，有利于控制能耗。

27、在一些技术方案中，可选地，辅助气体为氧气。

28、在该技术方案中，通过将辅助气体设置为氧气，一方面，起到助燃的作用，加速燃烧使玻璃粉熔化为液滴；另一方面，还可以控制流体的流动方向，在一定程度上起到导向的作用。

29、在一些技术方案中，可选地，氧气的流速为10l/min至35l/min（例如，20l/min、25l/min或30l/min）。

30、在该技术方案中，通过控制氧气的流量，一方面，辅助气体的流量不会过低，确保助燃效果以及导向效果；另一方面，辅助气体的流量不会过高，有利于控制能耗。

31、在一些技术方案中，可选地，等离子体火炬的电压为70v至90v（例如，70v、80v或90v）。

32、在该技术方案中，通过控制等离子体火炬的电压，一方面，等离子体火炬的电压不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电压不会过高，有利于控制能耗。

33、在一些技术方案中，可选地，等离子体火炬的电流为450a至700a（例如，500a、550a或600a）。

34、在该技术方案中，通过控制等离子体火炬的电流，一方面，等离子体火炬的电流不会过低，确保等离子体火焰的中心温度；另一方面，等离子体火炬的电流不会过高，有利于控制能耗。

35、在一些技术方案中，可选地，将混合物料进行烧结，得到密封玻璃，具体为：将混合物料在第一温度阈值下烧结第一时间阈值，得到密封玻璃。

36、在该技术方案中，通过控制烧结温度，一方面，避免烧结温度过低，确保混合物料中的各元素能够进行组合，得到密封玻璃；另一方面，避免烧结温度过高，有利于控制能耗。可选地，第一温度阈值为1100℃至1400℃。

37、另外，通过控制烧结时间，一方面，可以避免保温时长过短，确保充分烧结后制备出密封玻璃；另一方面，可以避免烧结的保温时间过长，以提高整体制备效率。 可选地，第一时间阈值为4h至20h（例如，5h、8h、10h、15h或18h）。

38、在一些技术方案中，可选地，第一温度阈值为1100℃至1400℃（例如，1150℃、1200℃、1250℃、1300℃或1350℃）。

39、在该技术方案中，通过控制烧结温度，一方面，避免烧结温度过低，确保混合物料中的各元素能够进行组合，得到密封玻璃；另一方面，避免烧结温度过高，有利于控制能耗。

40、在一些技术方案中，可选地，玻璃粉的送粉速度为50mg/min至80mg/min（例如，60mg/min、70mg/min或75mg/min）。

41、在该技术方案中，通过控制玻璃粉的送粉速度，一方面，单位时间内玻璃粉的送粉量不会过少，确保玻璃粉通过等离子体喷涂工艺可以沉积在电池的密封区域，制备得到密封件；另一方面，单位时间内玻璃粉的送粉量不会过多，避免材料的浪费。

42、在一些技术方案中，可选地，玻璃粉的送粉压力为40mpa至80mpa（例如，50mpa、60mpa、65mpa或70mpa）。

43、在该技术方案中，通过控制玻璃粉的送粉压力，能够确保玻璃粉在等离子体火炬中具有适当的分散效果以及分散范围，其中分散范围不会过大也不会过小。

44、在一些技术方案中，可选地，玻璃粉的喷涂距离为20cm至40cm（例如，25cm、30cm或35cm）。

45、在该技术方案中，通过控制玻璃粉的喷涂距离，能够确保玻璃粉在等离子体火炬中具有适当的分散效果以及分散范围，其中分散范围不会过大也不会过小。

46、在一些技术方案中，可选地，氧化铝在混合物料中的质量分数为35%至45%。

47、在该技术方案中，通过控制氧化铝在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的氧化铝，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。氧化铝是一种在高温下可电离的离子晶体，常用于制造耐火材料。

48、在一些技术方案中，可选地，氧化镍在混合物料中的质量分数为10%至20%。

49、在该技术方案中，通过控制氧化镍在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的氧化镍，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。氧化镍主要用作密着剂和着色剂。

50、在一些技术方案中，可选地，二氧化硅在混合物料中的质量分数为28%至40%。

51、在该技术方案中，通过控制二氧化硅在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的二氧化硅，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。二氧化硅具有耐火、耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘以及耐腐蚀等特点，还具有压电效应、谐振效应以及独特的光学特性。

52、在一些技术方案中，可选地，氧化锌在混合物料中的质量分数为4%至9%（例如，5%、7%或8%）。

53、在该技术方案中，通过控制氧化锌在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的氧化锌，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。氧化锌有收敛性和一定的杀菌能力。氧化锌还可用作催化剂。

54、在一些技术方案中，可选地，一氧化锆在混合物料中的质量分数为8%至15%（例如，10%、12%或14%）。

55、在该技术方案中，通过控制一氧化锆在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的一氧化锆，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。一氧化锆主要用于提供锆元素。

56、在一些技术方案中，可选地，氧化硼在混合物料中的质量分数为3%至5%（例如，3.5%、4%或4.5%）。

57、在该技术方案中，通过控制氧化硼在混合物料中的质量分数，在避免材料浪费的同时，混合物料中具有足够多的氧化硼，确保后续步骤中能够烧制出密封玻璃。氧化硼在熔融状态下可以溶解许多碱性的金属氧化物，生成有特征颜色的玻璃状硼酸盐和偏硼酸盐（玻璃）。

58、本发明第二方面提供了一种固体氧化物燃料电池的密封件，通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法制作而成。

59、根据本发明的固体氧化物燃料电池的密封件的技术方案，固体氧化物燃料电池的密封件通过上述任一技术方案中的固体氧化物燃料电池的密封件的制备方法制作而成。制备得到的密封件以密封层的形式覆盖在电池的密封区域，具有良好的致密度以及高阻抗，成型后不需要排胶、高温烧结等后处理工艺实现密封，密封性能更佳。

60、本发明的技术方案的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。