CN114079061B - 用于电池的密封结构和电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池结构领域，具体地涉及一种用于电池的密封结构和电池，所述密封结构包括第一构件、第二构件和云母垫片，所述第一构件与所述第二构件彼此相对，所述云母垫片位于所述第一构件和所述第二构件之间，并且，所述云母垫片与所述第一构件和所述第二构件中至少一者之间设置有陶瓷玻璃密封部，所述陶瓷玻璃密封部包括玻璃胶层和围绕所述玻璃胶层的外围陶瓷胶圈；所述用于电池的密封结构能够在低温的和高温下均能保持良好密封性和使用耐久性。

Description

用于电池的密封结构和电池
技术领域
本发明涉及电池结构领域，具体地涉及一种用于电池的密封结构和电池。
背景技术
在电池中，构件之间可能需要有良好的密封，密封性的稳定性和气密性可能直接影响到电池的使用稳定性和使用寿命。
以固体氧化物燃料电池(SOFC)为例，固体氧化物燃料电池是一种直接将燃料气体和氧化气体中的化学能转化成电能的全固态化学发电装置，其具有发电效率高、燃料适应性较广、抗衰减能力强、对环境污染小的优点，被誉为本世纪最有应用前景的绿色发电系统而日益受到广泛关注。固体氧化物燃料电池通常在700～800℃下工作，对各个构件的要求较高，特别是对各金属连接体之间的密封材料要求较高，要求其具有良好的化学稳定性、热稳定性、气密性和绝缘性；目前常用的密封材料为玻璃密封材料，其成本低廉、密封性能好、封接简单、易于规模制备，但是玻璃密封材料在高温下具有流动性，当固体氧化物燃料电池在高温、高应力下长期运行时玻璃密封材料会软化，而软化的玻璃密封材料会慢慢被挤出而使构件之间逐渐失去气密性并造成电池性能显著衰减。
发明内容
本发明的目的是提供一种在低温的和高温下均能保持良好密封性和使用耐久性的用于电池的密封结构和包括该用于电池的密封结构的电池。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于电池的密封结构，所述密封结构包括第一构件、第二构件和云母垫片，所述第一构件与所述第二构件彼此相对，所述云母垫片位于所述第一构件和所述第二构件之间，并且，所述云母垫片与所述第一构件和所述第二构件中至少一者之间设置有陶瓷玻璃密封部，所述陶瓷玻璃密封部包括玻璃胶层和围绕所述玻璃胶层的外围陶瓷胶圈。
优选地，所述外围陶瓷胶圈沿所述云母垫片的外周缘设置。
优选地，所述第一构件、第二构件和云母垫片上相对应地形成有开口，所述玻璃胶层包围所述开口。
优选地，所述玻璃胶层延伸至所述开口的边缘处；或者，所述陶瓷玻璃密封部还包括围绕上述开口边缘的内围陶瓷胶圈，所述玻璃胶层位于所述外围陶瓷胶圈和所述内围玻璃胶圈之间。
优选地，所述第一构件包括第一表面，所述第一表面与所述云母垫片之间设置有所述陶瓷玻璃密封部，所述外围陶瓷胶圈接近所述第一表面的边缘。
优选地，所述玻璃胶层的至少部分边缘与所述外围陶瓷胶圈之间相间隔开。
优选地，所述云母垫片与所述第一构件之间、所述云母垫片和所述第二构件之间均设置有所述陶瓷玻璃密封部。
优选地，所述第一构件为电堆，所述第二构件为电堆、布气板、双极板中的一者。
本发明第二方面提供一种电池，该电池包括根据本发明的用于电池的密封结构。
优选地，所述电池为固体氧化物燃料电池。
本发明的用于电池的密封结构中，配合使用了云母垫片、玻璃胶层和外围陶瓷胶圈三者；其中，云母垫片充当第一构件和第二构件之间的主要密封材料，密封性能良好，同时还可以减少热冲击和机械冲击的风险；玻璃胶层则用于来进一步密封云母垫片和相应配合表面之间可能存在的缝隙，特别时高温时玻璃胶层粘度降低能够填补所述缝隙从而避免因所述缝隙造成的泄露；并且，在玻璃胶层的外围设置外围陶瓷胶圈，外围陶瓷胶圈可以在高温仍具有较好的机械强度而不会变形流动，对玻璃胶层起到限制，从而防止玻璃胶层在高温时软化流动或受到高应力时而被挤出。因此，通过云母垫片、玻璃胶层和外围陶瓷胶圈三者的配合，使得被密封的第一构件和第二构件之间无论在低温、高温还是高应力下均能够保持较好的密封性，同时使得密封结构还具有较好的抗热冲击、机械冲击性能，且机械支承性好，从而有效保证电池性能和使用寿命，并且加工成本、加工难度较低。
附图说明
图1是根据发明一种实施方式的用于电池的密封结构应用于电池中时制造所述密封结构的流程图；
图2是根据发明另一种实施方式的用于电池的密封结构应用于电池中时制造所述密封结构的流程图。
附图标记说明
1布气板；2电堆；3开口；4内围陶瓷胶圈；5玻璃胶层；6外围陶瓷胶圈；7云母垫片；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明中，需要理解的是，术语“背离”、“朝向”等指示的方位或位置关系与实际使用的方位或位置关系相对应；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。这些都仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明一方面涉及一种用于电池的密封结构，所述密封结构包括第一构件、第二构件和云母垫片，所述第一构件与所述第二构件彼此相对，所述云母垫片位于所述第一构件和所述第二构件之间，并且，所述云母垫片与所述第一构件和所述第二构件中至少一者之间设置有陶瓷玻璃密封部，所述陶瓷玻璃密封部包括玻璃胶层和围绕所述玻璃胶层的外围陶瓷胶圈。
本发明的用于电池的密封结构中，配合使用了云母垫片、玻璃胶层和外围陶瓷胶圈三者；其中，云母垫片充当第一构件和第二构件之间的主要密封材料，密封性能良好，同时还可以减少热冲击和机械冲击的风险；玻璃胶层则用于来进一步密封云母垫片和相应配合表面之间可能存在的缝隙，特别是高温时玻璃胶层粘度降低能够填补所述缝隙从而避免因所述缝隙造成的泄露，玻璃胶层可以是通过在云母垫片或者与云母垫片相配合的构件表面涂敷玻璃胶而形成，玻璃胶作为密封材料具有成本低、密封性好等优点；并且，在玻璃胶层的外围设置外围陶瓷胶圈，外围陶瓷胶圈可以在高温仍具有较好的机械强度而不会变形流动，对玻璃胶层起到限制，从而防止玻璃胶层在高温时软化流动或受到高应力时而被挤出，从而造成密封失效或对电池其它构件造成影响和污染的问题。因此，通过云母垫片、玻璃胶层和外围陶瓷胶圈三者的配合，使得被密封的第一构件和第二构件之间无论在低温、高温还是高应力下均能够保持较好的密封性，同时使得密封结构还具有较好的抗热冲击、机械冲击性能，且机械支承性好，从而有效保证电池性能和使用寿命，并且加工成本、加工难度较低。
本发明中所指的高温通常指700℃及以上的温度，例如，一些固体氧化物燃料电池工作状态下内部温度可以达到800℃以上，本发明中所指的低温则通常指低于700℃的温度，例如常温或者固体氧化物燃料电池工作状态下300℃左右的温度。
具体地，对于本发明的用于电池的密封结构，可以在电池从低温到高温的整个工作范围内都提供良好的密封性能；低温时，云母垫片、玻璃胶层，以及可能也含有高分子粘结材料的外围陶瓷胶圈同时用于第一构件与第二构件之间的密封，以确保低温气密性；高温时，玻璃胶层高温下部分软化变为致密层并具有一定流动性，由于表面张力的作用软化的玻璃可均匀的填充在构件与云母垫片之间的缝隙中，从而提供优良的密封性，并且外围陶瓷胶圈经焙烧后具有一定的机械强度且不具流动性，在电池运行或热循环过程中可承担大部分应力，能够有效避免玻璃胶层在高温、高应力下被挤出或者在低温、高应力下发生脆性损坏而失去气密性；综上，本发明的用于电池的密封结构可以在电池长期运行或者多次循环后仍保持良好的气密性，成本低、实施方便且可以根据电池内构件的特定结构而特定设置形状和位置关系、应用范围广，用于电池构件之间的密封可以保证电池良好密封性和使用耐久性。
在一些实施方式中，所述外围陶瓷胶圈沿所述云母垫片的外周缘设置，以更好地利用外围陶瓷胶圈的支承效果对各构件和云母垫片进行支承保护，并且玻璃胶层在高温下软化或受压流动时可以蔓延到云母垫片的边缘，以提供更好的密封。
并且，假使所述第一构件包括第一表面，所述第一表面与所述云母垫片之间设置有所述陶瓷玻璃密封部，那么优选地，所述外围陶瓷胶圈接近所述第一表面的边缘，也就是说，外围陶瓷胶圈优选在接近所需密封的构件表面的边缘，从而能够对所需密封的构件表面的大部分区域都提供密封，其中所述外围陶瓷胶圈“接近”所述第一表面的边缘可以理解为外围陶瓷胶圈距离所述第一表面的边缘仅保留较小的距离，例如只保留大约0.8cm-1.2cm的距离。
在一些实施方式中，所述玻璃胶层的至少部分边缘与所述外围陶瓷胶圈之间相间隔开，换言之，这种情况下，玻璃胶层并不涂敷满所述外围陶瓷胶圈所围区域的全部面积，而是在所述外围陶瓷胶圈所围区域的部分上涂敷有玻璃胶层，从而防止玻璃胶层涂敷面积过大或者涂敷量过多容易造成流动时挤出到外围陶瓷胶圈外对电池内构件和电池性能造成影响，进一步，可以理解的是，所述玻璃胶层优选涂敷在所述外围陶瓷胶圈所围区域的中央部分。
另外，优选情况下，所述云母垫片与所述第一构件之间、所述云母垫片和所述第二构件之间均设置有所述陶瓷玻璃密封部，即配合于所述云母垫片的两个表面均设置有所述陶瓷玻璃密封部，以更好地提供密封。
在一些实施方式中，所述第一构件、第二构件和云母垫片上相对应地形成有开口，所述玻璃胶层包围所述开口，也即是说，由于通常是先形成有所述开口，当在第一构件、第二构件或者云母垫片上涂敷形成玻璃胶层时，需要围绕所述开口涂敷，从而使得最终形成的玻璃胶层包围所述开口，即所述开口位于所述玻璃胶层的外边缘所包围的区域内。
可选择地，所述玻璃胶层延伸至所述开口的边缘处；或者，优选地，所述陶瓷玻璃密封部还包括围绕上述开口边缘的内围陶瓷胶圈，所述玻璃胶层位于所述外围陶瓷胶圈和所述内围玻璃胶圈之间，从而内围陶瓷胶圈可以有效防止玻璃胶层从开口处挤出或流出。
对于第一构件和第二构件，它们可以都为板件或者是其它形状，例如也可以是由板件堆叠而成的电堆，并且所述第一构件和第二构件包括彼此相对的表面，云母垫片夹设在两个所述彼此相对的表面之间。
可选择地，所述第一构件为电堆，所述第二构件为电堆、布气板、双极板中的一者。
在一些实施方式中，所述玻璃胶层可以是由微晶玻璃胶形成，所述微晶玻璃胶可以是由微晶玻璃粉末做成的膏状浆料，所述由微晶玻璃粉末做成的膏状浆料可以包括玻璃、聚合物粘结剂、塑化剂、分散剂和有机溶剂，其中，玻璃相的重量百分比可以为60-75％、聚合物粘结剂的重量百分比可以为3-15％、塑化剂的重量百分比可以为2-7％、分散剂的重量百分比可以为0.5-2％、有机溶剂的重量百分比可以为5-30％。其中，微晶玻璃可以是SiO2-Al2O3-CaO-BaO-B2O3系统的组份，例如20-45wt％的SiO2、3-8wt％的Al2O3、6-10wt％的CaO、40-57wt％的BaO、5-8wt％B2O3；微晶玻璃也可以是SiO2-Al2O3-CaO-MgO-Na2O系统的组份，例如40-55wt％SiO2、6-14wt％Al2O3、7-12wt％CaO、10-15wt％MgO、8-15wt％Na2O、2-5wt％ZrO2、4-9wt％B2O3。所述玻璃胶层的厚度可以设置为0.01-1mm，例如0.02-0.4mm或者0.04-0.2mm。
在一些实施方式中，所述外围陶瓷胶圈和所述内围陶瓷胶圈可以由高温陶瓷胶形成，所述高温陶瓷胶可以是由陶瓷粉末做成的膏状浆料，所述由陶瓷粉末做成的膏状浆料可以包括陶瓷、聚合物粘结剂、塑化剂、分散剂和有机溶剂，其中，陶瓷相的重量百分比可以为60-85％、聚合物粘结剂的重量百分比可以为1-10％、塑化剂的重量百分比可以为1-5％、分散剂的重量百分比可以为1-3％、有机溶剂的重量百分比可以为5-20％，所述陶瓷相可以是部份稳定或全稳定的氧化锆，也可以是氧化铝粉末、SrZrO粉末或者La2Zr2O7粉末；又或者，所述由陶瓷粉末做成的膏状浆料可以包括陶瓷、高温粘结剂和水，其中陶瓷相的重量百分比可以为65-85％、高温粘结剂(例如硅酸钠)的重量百分比可以为1-20％、水的重量百分比可以为5-25％。
参见图1，显示了根据发明一种实施方式的用于电池的密封结构应用于电池中时制造所述密封结构的流程图。具体地，该密封结构应用于布气板1和电堆2之间的密封，制造过程中，布气板1上形成有两个开口3，一个为燃气进口、另一个为燃气出口，先在布气板1的一个表面上在两个开口3的边缘涂上高温陶瓷胶，以使得之后形成内围陶瓷胶圈4，再在所述布气板1的一个表面上在内围陶瓷胶圈4外围涂敷玻璃胶以形成玻璃胶层5，再在所述布气板1的一个表面上在玻璃胶层5外围涂敷高温陶瓷胶以得之后形成外围陶瓷胶圈6，再将云母垫片7放置于所述布气板1的一个表面上，由此，可以使得之后在所述布气板1与所述云母垫片7一个表面之间形成陶瓷玻璃密封部；之后，在云母垫片7的另一表面上先在云母垫片7的两个开口的边缘涂上高温陶瓷胶，以使得之后形成内围陶瓷胶圈4，再在所述云母垫片7的另一表面上在内围陶瓷胶圈4外围涂敷玻璃胶以形成玻璃胶层5，再在所述云母垫片7的另一表面上在玻璃胶层5外围涂敷高温陶瓷胶以得之后形成外围陶瓷胶圈6，由此，可以使得之后在所述云母垫片7的另一表面上形成另一陶瓷玻璃密封部，最后，将电堆2放置于所述云母垫片7的另一表面上，最终形成了在布气板1和电堆2之间的密封结构，包括云母垫片、云母垫片一个表面和布气板之间的陶瓷玻璃密封部、云母垫片另一表面和电堆之间的另一陶瓷玻璃密封部。
参见图2，显示了根据发明另一种实施方式的用于电池的密封结构应用于电池中时制造所述密封结构的流程图，与图1中实施方式的区别在于，在布气板1和云母垫片7上的开口边缘均为设置内围陶瓷胶圈4，而是玻璃胶层5直接延伸至布气板1的开口边缘和云母垫片7的开口边缘。
本发明的另一方面涉及一种电池，该电池包括根据本发明的用于电池的密封结构。
具体地，所述电池可以为固体氧化物燃料电池。
在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一些实施方式”、“例如”或“示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于电池的密封结构，所述密封结构包括第一构件、第二构件和云母垫片，所述第一构件与所述第二构件彼此相对，所述云母垫片位于所述第一构件和所述第二构件之间，其特征在于，所述云母垫片与所述第一构件和所述第二构件中至少一者之间设置有陶瓷玻璃密封部，所述陶瓷玻璃密封部包括玻璃胶层和围绕所述玻璃胶层的外围陶瓷胶圈。
2.根据权利要求1所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述外围陶瓷胶圈沿所述云母垫片的外周缘设置。
3.根据权利要求1所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述第一构件、第二构件和云母垫片上相对应地形成有开口，所述玻璃胶层包围所述开口。
4.根据权利要求3所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述玻璃胶层延伸至所述开口的边缘处；或者，所述陶瓷玻璃密封部还包括围绕上述开口边缘的内围陶瓷胶圈，所述玻璃胶层位于所述外围陶瓷胶圈和所述内围陶瓷胶圈之间。
5.根据权利要求1所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述第一构件包括第一表面，所述第一表面与所述云母垫片之间设置有所述陶瓷玻璃密封部，所述外围陶瓷胶圈接近所述第一表面的边缘。
6.根据权利要求1所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述玻璃胶层的至少部分边缘与所述外围陶瓷胶圈之间相间隔开。
7.根据权利要求1所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述云母垫片与所述第一构件之间、所述云母垫片和所述第二构件之间均设置有所述陶瓷玻璃密封部。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的用于电池的密封结构，其特征在于，所述第一构件为电堆，所述第二构件为电堆、布气板、双极板中的一者。
9.一种电池，其特征在于，该电池包括根据权利要求1-8中任意一项所述的用于电池的密封结构。
10.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述电池为固体氧化物燃料电池。
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