CN115215552A - 用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料 - Google Patents

用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料 Download PDF

Info

Publication number
CN115215552A
CN115215552A CN202210369047.XA CN202210369047A CN115215552A CN 115215552 A CN115215552 A CN 115215552A CN 202210369047 A CN202210369047 A CN 202210369047A CN 115215552 A CN115215552 A CN 115215552A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mol
fuel
fuel cell
ceramic seal
glass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210369047.XA
Other languages
English (en)
Inventor
E·埃·巴塔韦
J·斯库
M·D·加斯达
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bloom Energy Corp
Original Assignee
Bloom Energy Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bloom Energy Corp filed Critical Bloom Energy Corp
Publication of CN115215552A publication Critical patent/CN115215552A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/062—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C03C10/0036—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and a divalent metal oxide as main constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C03C10/0036—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and a divalent metal oxide as main constituents
    • C03C10/0045—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing SiO2, Al2O3 and a divalent metal oxide as main constituents containing SiO2, Al2O3 and MgO as main constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
    • C03C10/0054—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition containing PbO, SnO2, B2O3
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/062—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C03C3/064—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/062—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight
    • C03C3/064—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron
    • C03C3/068—Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight containing boron containing rare earths
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
    • C03C3/083—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing aluminium oxide or an iron compound
    • C03C3/085—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing aluminium oxide or an iron compound containing an oxide of a divalent metal
    • C03C3/087—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing aluminium oxide or an iron compound containing an oxide of a divalent metal containing calcium oxide, e.g. common sheet or container glass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
    • C03C3/089—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron
    • C03C3/091—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing boron containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00—Glass compositions
    • C03C3/04—Glass compositions containing silica
    • C03C3/076—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight
    • C03C3/095—Glass compositions containing silica with 40% to 90% silica, by weight containing rare earths
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/02—Frit compositions, i.e. in a powdered or comminuted form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/24—Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0282—Inorganic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2428—Grouping by arranging unit cells on a surface of any form, e.g. planar or tubular
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C2205/00—Compositions applicable for the manufacture of vitreous enamels or glazes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • H01M2300/0071—Oxides
    • H01M2300/0074—Ion conductive at high temperature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

本申请涉及用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料。玻璃陶瓷密封件是由前体材料形成，所述前体材料包括80摩尔％到100摩尔％的主要组分，所述主要组分含有按氧化物计25摩尔％到55摩尔％的SiO2、20摩尔％到45摩尔％的CaO、5摩尔％到30摩尔％的MgO以及0摩尔％到15摩尔％的Al2O3。

Description

用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料
技术领域
本公开总体上有关玻璃陶瓷密封材料，特别是用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料。
背景技术
在高温燃料电池系统，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统中，氧化流通过燃料电池的阴极侧，而燃料流通过燃料电池的阳极侧。氧化流通常是空气，而燃料流可以是碳氢化合物燃料，例如甲烷、天然气、戊烷、乙醇或甲醇。燃料电池在介于750℃与950℃之间的典型温度下运行，能够将带负电的氧离子从阴极流传输到阳极流，在阳极流中，离子与游离氢或碳氢化合物分子中的氢结合形成水蒸气和/或与一氧化碳结合形成二氧化碳。来自带负电的离子的多余电子通过在阳极与阴极之间完成的电路被送回燃料电池的阴极侧，从而引起电流流过电路。
燃料电池堆叠可以在内部或外部有用于燃料和空气的歧管。在内部有歧管的堆叠中，燃料和空气使用容纳在堆叠内的立管分配到每个电池中。换句话说，气体流经每个燃料电池的支撑层(例如电解质层)中的开口或孔和每个电池的气流分离器。在外部有歧管的堆叠中，堆叠在燃料和空气入口和出口侧是开放的，且燃料和空气的引入和收集独立于堆叠硬件。举例来说，入口和出口燃料和气流在堆叠与堆叠所在的歧管外壳之间的单独通道中流动。
燃料电池堆叠通常由呈平面元件、管或其它几何形状形式的多个电池构成。必须向电化学活性表面提供燃料和空气，所述表面可能很大。燃料电池堆叠的一个组件是所谓的气流分离器(在平面堆叠中称为气流分离板)，其将堆叠中的各个电池分开。气流分离板将流向堆叠中的一个电池的燃料电极(即阳极)的燃料(例如氢气或碳氢化合物燃料)与流向堆叠中的相邻电池的空气电极(即阴极)的氧化剂(例如空气)分开。通常，气流分离板也用作将一个电池的燃料电极电连接到相邻电池的空气电极的互连件。在这种情况下，用作互连件的气流分离板由导电材料制成或含有导电材料。
发明内容
根据本公开的各种实施例，玻璃陶瓷密封件由前体材料形成，所述前体材料包括80摩尔％到100摩尔％的主要组分，所述主要组分含有按氧化物计25摩尔％到55摩尔％的SiO2、20摩尔％到45摩尔％的CaO、5摩尔％到30摩尔％的MgO以及0摩尔％到15摩尔％的Al2O3。
根据本公开的各种实施例，一种燃料电池堆叠包含相互堆叠的互连件；安置在所述互连件之间的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件的结晶相主要包含透辉石晶体；以及安置在所述互连件之间的固体氧化物燃料电池。
附图说明
并入本文并构成本说明书的一部分的附图绘示了本发明的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
图1A是常规燃料电池柱的透视图，图1B是包括在图1A的柱中的一个逆流固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠的透视图，而图1C是图1B的堆叠的一部分的侧剖视图。
图2A是图1B的堆叠的常规互连件的空气侧的俯视图，而图2B是常规互连件的燃料侧的俯视图。
图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池堆叠的透视图，图3B是图3A的堆叠的一部分的分解透视图，图3C是包括在图3A的堆叠中的互连件的燃料侧的俯视图，而图3D是包括在图3A的堆叠中的燃料电池的示意图。
图4A和4B是分别显示根据本公开的各种实施例的图3C的错流互连件的空气侧和燃料侧的平面图。
图5A是显示图3C的互连件的空气侧的平面图，而图5B是显示图5A的互连件的修改版本的平面图。
图6A是根据本公开的各种实施例的组装在图3A的燃料电池堆叠中的图4A和4B的两个互连件以及燃料电池的剖面透视图，而图6B是显示燃料电池的重叠和图6A的互连件的燃料侧上的密封件的俯视图。
具体实施方式
将参考附图详细描述各种实施例。附图不一定按比例绘制，并且旨在绘示本发明的各种特征。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。对特定实例和实施方案的参考是出于说明性目的，并且不旨在限制本发明或权利要求的范围。
在本文中，范围可以表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表述此类范围时，实例包括从一个特定值和/或到另一特定值。类似地，当值通过使用前置词“约”或“大体上”表述为近似值时，应理解，特定值形成另一方面。在一些实施例中，“约X”的值可以包括+/-1％的X的值。还应当理解，每个范围的端值在与其它端值相关和独立于其它端值的情况下均为重要的。
图1A是常规燃料电池柱30的透视图，图1B是包括在图1A的所述柱30中的一个逆流固体氧化物燃料电池(SOFC)堆叠20的透视图，而图1C是图1B的堆叠20的一部分的侧剖视图。
参考图1A和1B，所述柱30可以包括一或多个堆叠20、燃料入口导管32、阳极排气导管34和阳极进料/返回总成36(例如，阳极分流板(ASP)36)。所述柱30还可以包括侧挡板38和压缩总成40。燃料入口导管32流体连接到ASP 36并且被配置成向每个ASP 36提供燃料进料，并且阳极排气导管34流体连接到ASP 36并且被配置成接收来自每个ASP 36的阳极燃料排气。
ASP 36安置在堆叠20之间并被配置成向堆叠20提供含有碳氢化合物燃料的燃料进料并接收来自堆叠20的阳极燃料排气。举例来说，ASP 36可以流体连接到在堆叠20中形成的内部燃料立管通道22，如下文所论述。
参考图1C，堆叠20包括由互连件10隔开的多个燃料电池1，所述互连件也可称为气流分离板或双极板。每个燃料电池1包括阴极电极3、固体氧化物电解质5和阳极电极7。
每个互连件10电连接堆叠20中的相邻燃料电池1。确切地说，互连件10可以将一个燃料电池1的阳极电极7电连接到相邻燃料电池1的阴极电极3。图1C显示下部燃料电池1位于两个互连件10之间。
每个互连件10包括至少部分地限定燃料通道8A和空气通道8B的肋形件12。互连件10可以作为气体-燃料分离器运行，所述分离器将流向堆叠中的一个电池的燃料电极(即阳极7)的燃料(例如碳氢化合物燃料)与流向堆叠中的相邻电池的空气电极(即阴极3)的氧化剂(例如空气)分开。在堆叠20的任一端，可以有空气端板或燃料端板(未示出)，用于分别向所述端电极提供空气或燃料。
图2A是常规互连件10的空气侧的俯视图，而图2B是所述互连件10的燃料侧的俯视图。参考图1C和2A，空气侧包括空气通道8B。空气通过空气通道8B流到相邻燃料电池1的阴极电极3。确切地说，空气可以沿箭头所示的第一方向A流过互连件10。
环形密封件23可以围绕互连件10的燃料孔22A，以防止燃料接触阴极电极。外围带状密封件24位于互连件10的空气侧的外围部分上。密封件23、24可以由玻璃材料形成。外围部分可以是不包括肋形件或通道的升高的平台形式。周边区域的表面可以与肋形件12的顶部共面。
参考图1C和2B，互连件10的燃料侧可以包括燃料通道8A和燃料歧管28(例如，燃料增压室)。燃料从一个燃料孔22A流入相邻的歧管28，通过燃料通道8A，并流入相邻燃料电池1的阳极7。过量的燃料可能流入另一个燃料歧管28，然后流入相邻的燃料孔22A。确切地说，燃料可以沿箭头所示的第二方向B流过互连件10。第二方向B可以垂直于第一方向A(参见图2A)。
框架形密封件26安置在互连件10的燃料侧的外围区域上。外围区域可以是不包括肋形件或通道的升高的平台。外围区域的表面可以与肋形件12的顶部共面。
因此，如图1A、1B、1C、2A和2B所示的常规逆流燃料电池柱可以包括复杂的燃料分配系统(燃料导轨和阳极分流板)。此外，使用内部燃料立管可能需要燃料电池中的孔和相应的密封件，这可能会减小其活性面积并可能导致燃料电池1的陶瓷电解质出现裂纹。
燃料歧管28可以占据互连件10的相对较大的区域，这可以将互连件10与相邻燃料电池之间的接触面积减少约10％。燃料歧管28也相对较深，使得燃料歧管28代表互连件10的相对较薄的区域。由于互连件10通常由粉末冶金压实工艺形成，故燃料歧管区域的密度可以接近互连件材料的理论密度极限。因此，在压实工艺中使用的压实机的冲程长度可能由于高密度燃料歧管区域不能被进一步压实而受到限制。结果，互连件10中其它地方实现的密度可能会受到压缩冲程的限制而被限制在较低的水平。所产生的密度变化可能导致形貌变化，这可能会减少互连件10与燃料电池1之间的接触量并且可能导致较低的堆叠产率和/或性能。
燃料电池系统设计的另一个重要考虑因素是在运行效率方面。最大限度地利用燃料是实现运行效率的关键因素。燃料利用率是运行期间消耗的燃料量与输送到燃料电池的燃料量之比。保持燃料电池循环寿命的一个重要因素可以是通过将燃料适当地分配到活性区域来避免燃料电池活性区域中的燃料不足。如果存在燃料分布不均使得一些流场通道接收到的燃料不足以支持将在所述通道区域中发生的电化学反应，则可能导致所述通道附近的燃料电池区域中的燃料不足。为了更均匀地分配燃料，常规的互连件设计包括跨流场的通道深度变化。这不仅会在制造工艺中造成复杂性，而且还可能需要复杂的计量学来准确测量这些尺寸。变化的通道几何形状可能受到通过燃料孔和分配歧管分配燃料的方式的限制。
消除这种复杂几何形状和燃料歧管的一种可能解决方案是具有更宽的燃料开口，以确保燃料流场上的燃料分布更加均匀。由于燃料歧管的形成是密度变化的一个因素，因此消除燃料歧管应该能够实现更均匀的互连件密度和渗透性。因此，需要改进的互连件，其提供与燃料电池的均匀接触，同时在不使用常规燃料歧管的情况下也将燃料均匀地分配到燃料电池中。
由于扩大燃料电池系统的热箱尺寸的总体限制，还需要改进的互连件，所述互连件经设计以最大化燃料利用率和燃料电池活性区域，而不增加热箱的占地面积。
错流燃料电池系统
图3A是根据本公开的各种实施例的燃料电池堆叠300的透视图，图3B是图3A的堆叠300的一部分的分解透视图，图3C是包括在堆叠300中的互连件400的燃料侧的俯视图，且图3D是包括在堆叠300中的燃料电池的示意图。
参考图3A-3D，燃料电池堆叠300(因为其没有ASP，也可以称为燃料电池柱)包括由互连件400隔开的多个燃料电池310，所述互连件也可称为气流分离板或双极板。一或多个堆叠300可与燃料电池发电系统的其它组件(例如，一或多个阳极尾气氧化器、燃料重整器、流体导管和歧管等)在共同的外壳或“热箱”中热集成。
互连件400由导电金属材料制成。举例来说，互连件400可以包含铬合金，例如Cr-Fe合金。互连件400通常可以使用粉末冶金技术制造，所述技术包括压制和烧结Cr-Fe粉末，从而形成所需的尺寸和形状(例如，“网状”或“接近网状”工艺)的Cr-Fe互连件，所述Cr-Fe粉末可以是Cr和Fe粉末的混合物或Cr-Fe合金粉末。典型的铬合金互连件400包含按重量计超过约90％的铬，例如按重量计约94-96％(例如，95％)的铬。互连件400还可以含有按重量计小于约10％的铁，例如按重量计约4-6％(例如，5％)的铁，可以含有按重量计小于约2％(例如按重量计约零到1％)的其它材料(例如钇或氧化钇)，以及残留或不可避免的杂质。
每个燃料电池310可以包括固体氧化物电解质312、阳极314和阴极316。在一些实施例中，阳极314和阴极316可以印刷在电解质312上。在其它实施例中，导电层318(例如镍网)可以安置在阳极314与相邻的互连件400之间。燃料电池310不包括通孔，例如常规燃料电池的燃料孔。因此，燃料电池310避免了由于这种通孔的存在而可能产生的裂缝。
堆叠300的最上面的互连件400和最下面的互连件400可以是空气端板或燃料端板的不同的互连件，包括用于分别向相邻端部燃料电池310提供空气或燃料的特征。如本文所用，“互连件”可以指位于两个燃料电池310之间的互连件或位于堆叠的一端并且仅与一个燃料电池310直接相邻的端板。由于堆叠300不包括ASP和与其相关联的端板，堆叠300可以仅包括两个端板。因此，可以避免与使用柱内ASP相关的堆叠尺寸变化。
堆叠300可以包括侧挡板302、燃料增压室304和压缩总成306。侧挡板302可以由陶瓷材料形成并且可以安置在含有堆叠的燃料电池310和互连件400的燃料电池堆叠300的相对侧上。侧挡板302可以连接燃料增压室304和压缩总成306，使得压缩总成306可以向堆叠300施加压力。侧挡板302可以是弯曲挡板，这样每个挡板至少覆盖燃料电池堆叠300的三个侧面的一部分。举例来说，一个挡板可以完全覆盖堆叠300的燃料入口立管侧并且部分覆盖堆叠的相邻的前面和后面，而另一个挡板完全覆盖堆叠的燃料出口立管侧并且并部分覆盖堆叠的前面和后面的相邻部分。用于堆叠的前面和后面的剩余未覆盖部分允许空气流过堆叠300。与仅覆盖堆叠的一侧的常规挡板38相比，弯曲挡板提供通过堆叠的改进的空气流动控制。燃料增压室304可以安置在堆叠300下方并且可以被配置成向堆叠300提供含氢燃料进料，并且可以接收来自堆叠300的阳极燃料排气。燃料增压室304可以连接到位于燃料增压室304下方的燃料入口和出口导管308。
每个互连件400电连接堆叠300中的相邻燃料电池310。确切地说，互连件400可以将一个燃料电池310的阳极电极电连接到相邻燃料电池310的阴极电极。如图3C所示，每个互连件400可以被配置成在第一方向A上引导空气，使得空气可以被提供给相邻燃料电池310的阴极。每个互连件400还可以被配置成在第二方向F上引导燃料，使得燃料可以提供给相邻燃料电池310的阳极。方向A和F可以是垂直的，或基本上垂直的。因此，互连件400可以被称为错流互连件。
互连件400可以包括延伸穿过互连件400并且被配置成用于燃料分配的燃料孔。举例来说，燃料孔可以包括一或多个燃料入口402和一或多个燃料出口404，其也可称为阳极排气出口404。燃料入口402和出口404可以安置在燃料电池310的周边之外。因此，燃料电池310可以形成为没有用于燃料流动的相应通孔。燃料入口402的组合长度和/或燃料出口404的组合长度可以是互连件400的相应长度的至少75％，例如在方向A上获取的长度。
在一个实施例中，每个互连件400含有由互连件400的颈部部分412隔开的两个燃料入口402，如图3B所示。然而，可以包括超过两个燃料入口402，例如由两到四个颈部部分412隔开的三到五个入口。在一个实施例中，每个互连件400含有由互连件400的颈部部分414隔开的两个燃料出口404，如图3B所示。然而，可以包括超过两个燃料出口404，例如由两到四个颈部部分414隔开的三到五个出口。
相邻互连件400的燃料入口402可以在堆叠300中对齐以形成一或多个燃料入口立管403。相邻互连件400的燃料出口404可以在堆叠300中对齐以形成一或多个燃料出口立管405。燃料入口立管403可以被配置成将从燃料增压室304接收的燃料分配给燃料电池310。燃料出口立管405可以被配置成将从燃料电池310接收的阳极排气提供给燃料增压室304。
与图1A中的平坦相关技术侧挡板38不同，侧挡板302可以围绕互连件400的边缘弯曲。确切地说，侧挡板302可以安置在互连件400的燃料入口402和出口404周围。因此，侧挡板可以更有效地控制气流通过互连件400的空气通道，这些空气通道暴露在侧挡板302之间并且关于图4A和4B详细描述。
在各种实施例中，堆叠300可以包括至少30个、至少40个、至少50个或至少60个燃料电池，这些燃料电池可以仅使用燃料立管403、405来提供燃料。换句话说，与常规的燃料电池系统相比，错流配置允许为大量燃料电池提供燃料，而不需要ASP或外部堆叠燃料歧管，例如图1A所示的外部管道32、34。
每个互连件400可以由导电材料制成或可以含有导电材料，例如金属合金(例如铬铁合金)，其具有与电池中的固体氧化物电解质相似的热膨胀系数(例如，相差0-10％)。举例来说，互连件400可以包含金属(例如，铬铁合金，例如4-6重量百分比的铁，任选的1或更少重量百分比的钇和余量的铬合金)，并且可以将一个燃料电池310的阳极或燃料侧与相邻燃料电池310的阴极或空气侧电连接。可以在阳极与每个互连件400之间提供导电接触层，例如镍接触层(例如，镍网)。可以在阴极电极与每个互连件400之间提供另一个任选的导电接触层。
在运行中暴露于氧化环境(例如，空气)的互连件400的表面，例如互连件400的面向阴极侧，可以涂有保护涂层，以降低互连件上氧化铬表面层的生长速率，并抑制可能毒害燃料电池阴极的铬蒸气物种的蒸发。通常，可以使用喷涂或浸涂工艺形成涂层，所述涂层可以包含钙钛矿，例如锰酸镧锶(LSM)。或者，代替LSM或除了LSM之外，可以使用其它金属氧化物涂层，例如尖晶石，例如(Mn,Co)3O4尖晶石(MCO)。任何具有组成Mn2-xCo1+xO4(0≤x≤1)或写成z(Mn3O4)+(1-z)(Co3O4)(其中(1/3≤z≤2/3))或写成(Mn,Co)3O4的尖晶石均可以使用。在其它实施例中，LSM和MCO的混合层或LSM和MCO层的堆叠可以用作涂层。
图4A和4B是分别显示根据本公开的各种实施例的错流互连件400的空气侧和燃料侧的平面图。参考图4A，互连件400的空气侧可以包括肋形件406，所述肋形件被配置成至少部分地限定空气通道408，所述空气通道被配置成向安置在其上的燃料电池310的阴极提供空气。互连件400的空气侧可以分为包括空气通道408的空气流场420和安置在空气流场420的两个相对侧上的立管密封表面422。一个立管密封表面422可以围绕燃料入口402，而另一个立管密封表面422可以围绕燃料出口404。空气通道408和肋形件406可以完全延伸穿过互连件400的空气侧，使得空气通道408和肋形件406终止于互连件400的相对周边边缘。换句话说，当组装成堆叠300时，空气通道408和肋形件406的相对端安置在堆叠的相对(例如，前和后)外表面上，以允许吹出的空气流过堆叠。因此，堆叠可以在外部有歧管以用于空气。
立管密封件424可以安置在立管密封表面422上。举例来说，一个立管密封件424可以围绕燃料入口402，一个立管密封件424可以围绕燃料出口404。立管密封件424可以防止燃料和/或阳极废气进入空气流场420并接触燃料电池310的阴极。立管密封件424还可以运行以防止燃料从燃料电池堆叠100中泄漏出来(参见图3A)。
参考图4B，互连件400的燃料侧可以包括肋形件416，所述肋形件至少部分地限定燃料通道418，所述燃料通道被配置成向安置在其上的燃料电池310的阳极提供燃料。互连件400的燃料侧可分为包括燃料通道418的燃料流场430和围绕燃料流场430以及燃料入口402和出口404的周边密封表面432。肋形件416和燃料通道418可以在垂直于或基本上垂直于空气侧通道408和肋形件406延伸的方向的方向上延伸。
框架形周边密封件434可安置在周边密封件表面432上。周边密封件434可以被配置成防止空气进入燃料流场430并与相邻燃料电池310上的阳极接触。周边密封件434还可以运行以防止燃料离开燃料立管403、405以及从燃料电池堆叠300中泄漏出来(参见图3A和3B)。
密封件424、434可以包含玻璃或陶瓷密封材料，如下文详细论述。密封材料可以具有低电导率。在一些实施例中，密封件424、434可以通过在互连件400上印刷一或多层密封材料，然后进行烧结来形成。
图5A是显示根据本公开的各种实施例的没有立管密封件424的互连件400的空气侧的平面图，而图5B是显示图5A的互连件400的修改版本的平面图。
在常规的逆流燃料电池系统设计中，燃料电池电解质完全覆盖互连件，使得燃料电池电解质作为相邻互连件之间的介电层运行。在错流设计中，互连件可以延伸超过燃料电池的周边。如果堆叠倾斜，或者如果密封件随着时间的推移变得导电，这可能会导致互连件之间的电短路。
参考图5A和5B，互连件400可以包括安置在立管密封表面422上的介电层440。举例来说，如图5A所示，每个介电层440可以是环形的并且可以覆盖所有或基本上所有的对应立管密封表面422。举例来说，在图5A的实施例中，介电层440可以是D形的并且可以具有与安置在其上的图4A中所示的立管密封件424基本相同的形状。在其它实施例中，如图5B所示，介电层440可以是C形的并且可以仅覆盖对应的立管密封表面422的一部分，例如与互连件400的外周边相邻的部分。介电层440在相邻的互连件400之间形成电绝缘屏障，且在相应的堆叠倾斜时或在密封件变得导电时会防止电短路。
介电层440可以包含氧化铝、锆石(硅酸锆)、碳化硅、结晶玻璃(例如石英或玻璃-陶瓷)或其它高温介电材料。在一些实施例中，介电层440可以包括腐蚀阻挡材料或层。举例来说，介电层440可以包含复合材料，所述复合材料包含耐腐蚀玻璃、氧化铝、锆石等。举例来说，在一些实施例中，介电层440包含施加到SOFC堆叠300中的互连件400的表面上的玻璃陶瓷层，所述玻璃陶瓷层由基本上玻璃屏障前体层形成，所述玻璃屏障前体层含有至少90重量％的玻璃(例如，90-100重量％的玻璃，例如约99-100重量％的无定形玻璃和0至1重量％的结晶相)。在一个实施例中，含有至少90重量％玻璃的玻璃屏障前体层按氧化物重量计包含：45-55重量％的二氧化硅(SiO2)；5-10重量％的氧化钾(K2O)；2-5重量％的氧化钙(CaO)；2-5重量％的氧化钡(BaO)；0-1重量％的三氧化硼(B2O3)；15-25重量％的氧化铝(Al2O3)；以及20-30重量％的氧化锆(ZrO2)。
在一些实施例中，玻璃屏障前体层包含按重量计至少90％的玻璃(例如，90-100重量％的玻璃，例如约99到100重量％的无定形玻璃和0到1重量％的结晶相)。举例来说，玻璃屏障前体层可以包含按氧化物重量计：约30％到约60％，例如约35％到约55％的二氧化硅(SiO2)；约0.5％到约15％，例如约1％到约12％的三氧化硼(B2O3)；约0.5％到约5％，例如约1％到约4％的氧化铝(Al2O3)；约2％到约30％，例如约5％到约25％的氧化钙(CaO)；约2％到约25％，例如约5％到约20％的氧化镁(MgO)；约0％到约35％，例如约20％到约30％的氧化钡(BaO)；约0％到约20％，例如约10％到约15％的氧化锶(SrO)；以及约2％到约12％，例如约5％到约10％的氧化镧(La2O3)。在一些实施例中，玻璃屏障前体材料可以包括非零量，例如至少0.5重量％的BaO和/或SrO中的至少一种，例如非零量，例如至少0.5重量％的BaO和SrO两者。
在一些实施例中，可以在围绕立管密封件424的区域中去除互连件400的空气侧上的一些或全部LSM/MCO涂层，以防止Mn从LSM/MCO材料扩散到立管密封件424中，并且从而防止立管密封件424变得导电。在其它实施例中，立管密封件424可以由不与LSM/MCO涂层反应的结晶玻璃或玻璃陶瓷材料形成，例如上面讨论的硼硅酸盐玻璃陶瓷组合物。
介电层440可以由例如带铸和烧结层的独立层形成，并且可以在燃料电池堆叠组装期间安置在互连件400之间。在其它实施例中，介电层440可以通过将介电材料分散成油墨、糊料或浆料形式，并随后丝网印刷、移印、气溶胶喷涂到互连件400上来形成。在一些实施例中，介电层440可以通过热喷涂工艺，例如大气等离子体喷涂(APS)工艺形成。举例来说，介电层440可以包括通过APS工艺沉积的氧化铝。
介电层440可以直接沉积在互连件400上。举例来说，介电层440可以直接安置在立管密封表面422上(即，互连件400在燃料入口402和出口404周围的部分)，在将被立管密封件424覆盖并且未被LSM/MCO涂层覆盖的区域中，惟介电层440与LSM/MCO涂层重叠的小的重叠区域(例如，接缝)除外，在所述小重叠区域处立管密封表面422与空气流场420相遇，以防止Cr从互连件400的暴露表面蒸发。因此，LSM/MCO涂层位于含有空气通道408和肋形件406的空气流场420中的互连件400表面上，但不在围绕燃料入口402和出口404的互连件400的立管密封表面422中。介电层440位于围绕燃料入口402和出口404的区域中的互连件400的立管密封表面上，所述区域未被LSM/MCO涂层覆盖并且在与立管密封表面422相邻的空气流场420中的LSM/MCO涂层的边缘上。或者，可以省略介电层440并且在燃料立管开口周围没有沉积的介电层440。
燃料电池堆叠和/或其组件可以被调节和/或烧结。“烧结”包括加热、熔化和/或回流玻璃或玻璃陶瓷密封前体材料以在燃料电池堆叠中形成密封的过程，所述过程可以在高温(例如，600-1000℃)下在空气和/或惰性气体中进行。“调节”包括用于将阳极电极中的金属氧化物(例如，氧化镍)还原为金属陶瓷电极(例如，镍和陶瓷材料，例如稳定的氧化锆或掺杂的二氧化铈)中的金属(例如，镍)和/或在性能表征/测试期间加热堆叠300的过程，并且可以在燃料流过堆叠时在高温(例如，750-900℃)下进行。燃料电池堆叠300的烧结和调节可以在相同的热循环期间执行(即，在烧结与调节之间不将堆叠冷却到室温)。
图6A是根据本公开的各种实施例的组装在图3A的燃料电池堆叠300中的图4A和4B的两个互连件400以及燃料电池310的剖面透视图。图6B是显示燃料电池310和密封件424、434在图6A的互连件400的燃料侧上的重叠的俯视图。
参照图4A、4B、6A和6B，当组装在燃料电池堆叠中时，燃料电池310安置在互连件400之间，以面对每个互连件400的空气流场420和燃料流场430。立管密封件424可以接触燃料电池310的空气侧的第一相对侧，并且周边密封件434可以接触燃料电池310的燃料侧的第二相对侧。周边密封件434的与燃料入口402和出口404相邻的部分可以与立管密封件424的对应部分重叠。另外，燃料电池310的部分可以安置在密封件424、434的重叠部分之间，例如在燃料电池310的拐角处。因此，燃料电池310和密封件424、434的重叠部分的组合厚度可以大于密封件424、434的重叠部分的厚度。
因此，在组装期间和/或在烧结期间，应力可能施加到燃料电池310的拐角处，这可能导致对燃料电池310的损坏，例如拐角破裂。因此，本公开的各种实施例提供了被配置成保护燃料电池310在组装和/或烧结工艺期间免受损坏的方法和堆叠配置。
此外，由于密封件424、434与燃料电池310的拐角重叠，故间隙G可以沿着燃料电池310的周边和在燃料电池310的拐角之间、在每个立管密封件424下方(例如，在电解质312下方)和周边密封件434上方形成。当堆叠300被压缩时，向下的力可以通过互连件400和密封件424、434传递并到达与间隙G相邻的燃料电池310的未支撑边缘中，由于相邻的间隙G，这可能会产生杠杆臂效应。
根据本公开的各种实施例，为了支撑电解质312的边缘，导电层318(例如，镍网)可以延伸到间隙G中。在一些实施例中，阳极314和/或阴极316还可以延伸以覆盖立管密封件424下方的电解质，结合将导电层318延伸到间隙G中。在其它实施例中，可以在电解质312的一侧或两侧上在立管密封件424下方形成一或多个电解质强化层325。
电解质强化层325可以由陶瓷材料形成，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钪稳定的氧化锆(SSZ)和/或氧化铝。电解质强化层325还可以包括烧结助剂，例如金属或金属氧化物材料，例如Ti、Mo、W、Mg、Hf、Rh、Co、Ni、Fe、Mn、Cu、Sn、其氧化物，以及其组合。举例来说，电解质强化层325可以包括约0.1到约80重量％(例如，50-75重量％)的经稳定氧化锆、约0.1到约60重量％(例如，20-45重量％)的氧化铝、约0.1到约30重量％(例如1-5重量％)的烧结助剂(例如金属或金属氧化物材料)。
电解质强化层325可以具有与阳极314和/或阴极316基本相同的厚度，并且可以与导电层318一起进一步支撑燃料电池310的边缘。在一些实施例中，电解质强化层325可以安置在燃料电池310的阴极侧并且可以由铬吸气剂材料，例如锰钴氧化物尖晶石形成。这样，电解质强化层325可以被配置成从供应给燃料电池310的空气中去除铬。
密封材料
再次参考图4A和4B，密封件424、434可以被配置成在燃料电池系统中提供多种不同的功能。举例来说，密封件424、434可作为相邻互连件400之间的气密粘合剂运行，以实现高燃料利用率和最低燃料泄漏。密封件424、434也可以被配置成足够柔顺以补偿在燃料电池运行期间由热梯度引起的应力。密封件424、434也可以被配置成具有与互连件440和/或燃料电池的CTE相匹配的CTE。此外，密封件424、434可以被配置成在长时间内承受高运行温度，并且在氧化和还原气氛中相对于其它堆叠组件具有高化学稳定性。
因此，密封件424、434可以由玻璃或玻璃/陶瓷密封材料形成，所述密封材料提供良好的润湿性和流动性并保持无定形相以在热循环期间提供自修复。在一些实施例中，密封材料可以具有与互连件400和燃料电池的CTE非常匹配的热膨胀系数(CTE)。举例来说，密封材料可以具有在燃料电池堆叠互连件和/或燃料电池的CTE的+/-10％或+/-5％内的CTE。举例来说，当用于包括CTE为约10ppm/°K的互连件400和燃料电池310的燃料电池堆叠时，密封材料的CTE可以在约百万分之九(9ppm)/°K到约11ppm/°K(其中1ppm＝0.0001％)范围内。
对于可能与许多其它适合的密封材料发生化学反应的材料，例如基于氧化锆的电解质材料、含铬互连件材料(例如Cr-Fe合金，其含有4至6重量％的Fe且余量为铬和杂质)以及包括锰氧化物、钴氧化物的涂层等来说，密封材料可以是化学惰性的。当暴露于空气和/或氢气时，密封材料还可以具有低于约1000℃的烧结温度，并且在SOFC系统运行温度(例如，在700和900℃之间)下可以是稳定的。密封材料可以具有高介电常数，使得密封材料可以被配置成电隔离相邻互连件400。
在一些实施例中，密封件424、434可以由密封材料形成，所述密封材料包括主要组分，所述主要组分包含Si、Ca、Mg和任选的Al。在一些实施例中，主要组分前体材料可以包括SiO2、CaO、MgO和任选的Al2O3。密封材料还可以包括任选的次要组分。次要组分前体材料可以包含非零量(例如，至少0.3摩尔％)的B2O3、BaO、SrO、La2O3、ZrO2和/或Y2O3。在一些实施例中，密封材料可以包括Si、Ca、Al和Mg的氧化物作为主要组分并且可以任选地包括B2O3、BaO、SrO、La2O3、ZrO2、Y2O3或其任何组合作为次要成分。在一些实施例中，密封材料可以省略次要组分(即，包括0至小于0.3摩尔％的次要组分)。
举例来说，密封前体材料可以包括量在约70摩尔％到约100摩尔％，例如约80摩尔％到约100摩尔％，约90摩尔％到约100摩尔％，或约92.5摩尔％到约100摩尔％范围内的主要组分，且其余为次要组分。举例来说，密封材料可以包括约20摩尔％到0摩尔％、约10摩尔％到约0.3摩尔％或约7.5摩尔％到约0.85摩尔％的次要组分。
在各种实施例中，在前体材料已经被施加到互连件并且烧结之后，密封材料可以包括结晶相和无定形相。举例来说，密封材料可以包括结晶相，所述结晶相包含透辉石((CaO)1-x(MgO)x)2(SiO2)2，其中0.3≤x≤1.0，例如(CaMgSi2O6))、镁黄长石(Ca2MgSi2O7)、钙镁橄榄石(CaMgSiO4)、硅灰石(CaSiO3)、钙长石(CaAl2Si2O8)和/或硅酸镁铝晶体中的至少一种。在一个实施例中，结晶相主要包含(例如，结晶相的至少50摩尔％，例如50到99摩尔％，例如60到95摩尔％)透辉石，以及少量(例如，1到40摩尔％，例如5到20摩尔％)通式为MgOAl2O34SiO2的钙长石、硅灰石和硅酸镁铝。
在一些实施例中，密封材料可以包括按体积计约55％到约85％的结晶相和约45％到约25％的无定形相，例如约60％到约80％的结晶相和约40％到约20％的无定形相，约65％到约75％的结晶相和约35％到约25％的无定形相，或约70％的结晶相和约30％的无定形相。
在一些实施例中，密封前体材料按氧化物计可以包括按摩尔％计：量在约25％到约55％，例如约30％到约50％，或约32％约50％范围内的SiO2；量在约20％到约45％，例如约21％到约43％，或约22％到约41％范围内的CaO；量在约5％到约30％，例如约6％到约27％，约7％到约27％，或约5％到25％范围内的MgO；以及量在约0％到约15％，例如约0.5％到约15％，或约1％到约14％范围内的Al2O3。
密封材料还可以包括任选的次要组分。举例来说，在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约10％，例如约1％到约8％，或约0.5％到约7％范围内的B2O3。在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约5％，例如约0.8％到约2％，或约1％范围内的BaO。在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约5％，例如约0.3％到约2％，或约0.4％范围内的SrO。在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约5％，例如约0.3％到约3％，或约0.75％到约1.5％范围内的La2O3。在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约5％，例如约1％到约4％，或约2％到约3％范围内的ZrO2。在各种实施例中，密封前体材料可以另外包括按摩尔％计量在约0％到约5％，例如约0.3％到约1％范围内的Y2O3。以上所有值均按氧化物计。
根据各种实施例，密封前体材料可以包含按氧化物计约90摩尔％到99.7摩尔％的主要组分，例如约91摩尔％到约99.5摩尔％，或约91.25摩尔％约98.5摩尔％的主要组分，和约0.3摩尔％到约10摩尔％，例如约0.5摩尔％到约9摩尔％，或约1.5摩尔％到约8.75摩尔％的次要组分。举例来说，密封前体材料可以包含按氧化物计：约30.25摩尔％到约51.5摩尔％的SiO2，例如约31.25摩尔％到约50.5摩尔％的SiO2；约20.75摩尔％到约42.75摩尔％的CaO，例如约21.75摩尔％到约41.75摩尔％的CaO；约5.5摩尔％到约28.5摩尔％的MgO，例如约6.5摩尔％到约27.5摩尔％的MgO；以及约0.5摩尔％到约15摩尔％的Al2O3，例如约0.75摩尔％到约14摩尔％的Al2O3；以下中的至少一种：约0.25摩尔％到约8.5摩尔％的B2O3，例如约0.5摩尔％到约7.5摩尔％的B2O3；约0摩尔％到约2摩尔％的BaO，例如约0.5摩尔％到约1.5摩尔％的BaO；约0摩尔％到约0.75摩尔％的SrO，例如约0.25摩尔％到约0.5摩尔％的SrO；约0摩尔％到约2.25摩尔％的La2O3，例如约0.5摩尔％到约2摩尔％的La2O3；以及约0摩尔％到约3.5摩尔％的ZrO2，例如约1.4摩尔％到约3.4摩尔％，或约1.9到约2.9摩尔％的ZrO2。
根据各种实施例，密封材料可以包含约98摩尔％到约100摩尔％的主要组分，例如约99.5摩尔％到约100摩尔％的主要组分和约0摩尔％到约2摩尔％的次要组分，例如约0摩尔％到0.5摩尔％的次要组分。在一些实施例中，密封材料可以包含小于0.5摩尔％的次要组分。举例来说，密封材料可以包含：约36.75摩尔％到约44.25摩尔％的SiO2，例如约37.75摩尔％到约43.25摩尔％的SiO2；约30.25摩尔％到约40.75摩尔％的CaO，例如约31.25摩尔％到约39.75摩尔％的CaO；约7.75摩尔％到约19.75摩尔％的MgO，例如约8.75摩尔％到约18.75摩尔％的MgO；以及约5.5摩尔％到约15摩尔％的Al2O3，例如约6.5摩尔％到约14摩尔％的Al2O3。
在各种实施例中，密封前体材料可以排除或含有小于0.3摩尔％的除了主要组分和次要组分的氧化物以外的其它氧化物。举例来说，密封前体材料可以包括0摩尔％到约0.25摩尔％的碱金属，例如钠、钾和/或其氧化物。举例来说，密封材料可以包括小于0.25摩尔％或小于0.1摩尔％的此类碱金属。确切地说，虽然不希望受任何特定理论的束缚，但相信从密封材料中排除反应性材料(例如Na和K)可以增加密封材料的化学稳定性。然而，虽然已知硼在某些条件下是一种反应性材料，但密封材料中可以包括少量硼，而不会显著降低密封材料的化学稳定性。
在一些实施例中，密封前体材料可以包括0摩尔％到约0.25摩尔％的Ba、Sr或其氧化物。举例来说，密封前体材料可以包括小于0.25摩尔％或小于0.1摩尔％的Ba和/或Sr。确切地说，虽然不希望受任何特定理论的束缚，但认为从密封材料中排除Ba和/或Sr可防止长石(例如钡长石型长石)晶相的形成，这可能会与互连件产生不希望的CTE失配量。因此，从密封材料中排除Ba和/或Sr可以提供与互连件更好的CTE匹配。
下表1显示了可用于形成根据本公开的各种实施例的玻璃陶瓷密封材料的七种密封前体材料按摩尔％计的组成。
表1
Figure BDA0003587154490000141
Figure BDA0003587154490000151
由上述前体材料烧结而成的烧结玻璃陶瓷组合物在燃料电池运行条件下是热稳定的和化学稳定的。此外，玻璃陶瓷组合物的CTE与燃料电池堆叠互连件和燃料电池的CTE非常匹配。烧结后，玻璃陶瓷密封组合物可以具有约70体积％的结晶相和约30体积％的无定形相。
尽管以上在各种实施例中描述了固体氧化物燃料电池互连件、端板和电解质，但实施例可以包括任何其它燃料电池互连件或端板，例如熔融碳酸盐、磷酸或PEM燃料电池电解质、互连件或端板，或与燃料电池系统无关的任何其它形状的金属或金属合金或压实的金属粉末或陶瓷物体。
前述方法描述仅作为说明性实例提供且并不意图需要或暗示各种实施例的步骤必须按所呈现的次序来执行。如所属领域的技术人员将了解，可以任何次序执行前述实施例中的步骤的次序。例如“之后”、“然后”、“下一步”等词语不一定旨在限制步骤的次序；这些词语可用于引导读者了解方法的描述。此外，以单数形式对权利要求要素的任何引用，例如，使用冠词“一个(种)(a/an)”或“所述”不应被解释为将要素限制为单数。
此外，本文描述的任何实施例的任何步骤或组件可以用于任何其它实施例。
提供对所公开的方面的前述描述以使得所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将显而易见对这些方面的各种修改，且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中所定义的一般原理可应用于其它方面。因此，本发明并不打算限于本文中所示的方面，而应符合与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

Claims (20)

1.一种玻璃陶瓷密封件，其由前体材料形成，所述前体材料包含80摩尔％到100摩尔％的主要组分，所述主要组分包含按氧化物计：
25摩尔％到55摩尔％的SiO2；
20摩尔％到45摩尔％的CaO；
5摩尔％到30摩尔％的MgO；以及
0摩尔％到15摩尔％的Al2O3。
2.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述前体材料包含按氧化物计：
30.25摩尔％到51.5摩尔％的SiO2；
20.75摩尔％到42.75摩尔％的CaO；
5.5摩尔％到28.5摩尔％的MgO；以及
0.5摩尔％到约15摩尔％的Al2O3。
3.根据权利要求2所述的玻璃陶瓷密封件，其进一步包含0.3摩尔％到20摩尔％的次要组分，所述次要组分包含按氧化物计：
0％到10％的B2O3；
0％到5％的BaO；
0％到5％的SrO；
0％到5％的La2O3；
0％到5％的ZrO2；以及
0％到5％的Y2O3。
4.根据权利要求3所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述前体材料包含按氧化物计：
0.25摩尔％到8.5摩尔％的B2O3；
约0摩尔％到约2摩尔％的BaO；
约0摩尔％到约0.75摩尔％的SrO；
0摩尔％到2.25摩尔％的La2O3；以及
从0摩尔％到3.5摩尔％的ZrO2。
5.根据权利要求3所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述前体材料包含按氧化物计90摩尔％到99.7摩尔％的所述主要组分和0.3摩尔％到10摩尔％的所述次要组分。
6.根据权利要求3所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述前体材料包含按氧化物计0摩尔％到小于0.3摩尔％的除所述主要组分和所述次要组分以外的所有氧化物。
7.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件包含小于0.25摩尔％的Ba和Sr。
8.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件包含小于0.25摩尔％的Na和K。
9.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述前体材料包含按氧化物计
30.25摩尔％到51.5摩尔％的SiO2；
20.75摩尔％到42.75摩尔％的CaO；
5.5摩尔％到28.5摩尔％的MgO；以及
0.5摩尔％到约15摩尔％的Al2O3。
10.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件包含按体积计55％到85％的结晶相和45％到15％的无定形相。
11.根据权利要求10所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封材料包含按体积计60％到80％的所述结晶相和40％到20％的所述无定形相。
12.根据权利要求10所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述结晶相主要包括透辉石晶体。
13.根据权利要求10所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述结晶相进一步包含镁黄长石、钙镁橄榄石、硅灰石或钙长石晶体中的至少一种。
14.根据权利要求10所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述结晶相进一步包含钙长石、硅灰石和硅酸镁铝晶体。
15.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件具有低于1000℃的烧结温度。
16.一种燃料电池堆叠，其包含：
相互堆叠的互连件；
安置在所述互连件之间的根据权利要求1所述的玻璃陶瓷密封件；以及
安置在所述互连件之间的固体氧化物燃料电池。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆叠，其中：
所述互连件的热膨胀系数在所述固体氧化物燃料电池的热膨胀系数的+/-10％内；
所述玻璃陶瓷密封件的热膨胀系数在所述互连件的热膨胀系数的+/-10％内；
所述玻璃陶瓷密封件包含按体积计60％到80％的结晶相和40％到20％的无定形相；且
所述结晶相包含透辉石、镁黄长石、钙镁橄榄石、硅灰石或钙长石晶体中的至少一种。
18.一种燃料电池堆叠，其包含：
相互堆叠的互连件；
安置在所述互连件之间的玻璃陶瓷密封件，其中所述玻璃陶瓷密封件的结晶相主要包含透辉石晶体；以及
安置在所述互连件之间的固体氧化物燃料电池。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆叠，其中：
所述互连件的热膨胀系数在所述固体氧化物燃料电池的热膨胀系数的+/-10％内；
所述玻璃陶瓷密封件的热膨胀系数在所述互连件的热膨胀系数的+/-10％内；
所述玻璃陶瓷密封件包含按体积计60％到80％的结晶相和40％到20％的无定形相；且
所述结晶相进一步包含镁黄长石、钙镁橄榄石、硅灰石或钙长石晶体中的至少一种。
20.根据权利要求18所述的燃料电池堆叠，其中所述结晶相进一步包含钙长石、硅灰石和硅酸镁铝晶体。
CN202210369047.XA 2021-04-15 2022-04-08 用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料 Pending CN115215552A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163175286P 2021-04-15 2021-04-15
US63/175,286 2021-04-15

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115215552A true CN115215552A (zh) 2022-10-21

Family

ID=81306757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210369047.XA Pending CN115215552A (zh) 2021-04-15 2022-04-08 用于燃料电池堆叠的玻璃陶瓷密封材料

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220336828A1 (zh)
EP (1) EP4089058A1 (zh)
JP (1) JP2022164598A (zh)
KR (1) KR20220142933A (zh)
CN (1) CN115215552A (zh)
TW (1) TW202248161A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116969681A (zh) * 2023-06-16 2023-10-31 潮州三环（集团）股份有限公司 一种用于燃料电池连接部件的微晶玻璃材料

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4358541A (en) * 1981-11-23 1982-11-09 Corning Glass Works Glass-ceramic coatings for use on metal substrates
EP2109173B1 (en) * 2008-04-07 2013-05-08 Topsøe Fuel Cell A/S Solid oxide fuel cell stack, process for the preparation thereof and use of an E-glass therein
DE102012206266B3 (de) * 2012-04-17 2013-07-11 Schott Ag Barium- und strontiumfreies glasiges oder glaskeramisches Fügematerial und dessen Verwendung
WO2014103973A1 (ja) * 2012-12-25 2014-07-03 日本山村硝子株式会社 封着用ガラス組成物

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116969681A (zh) * 2023-06-16 2023-10-31 潮州三环（集团）股份有限公司 一种用于燃料电池连接部件的微晶玻璃材料
CN116969681B (zh) * 2023-06-16 2024-05-14 潮州三环（集团）股份有限公司 一种用于燃料电池连接部件的微晶玻璃材料

Also Published As

Publication number Publication date
TW202248161A (zh) 2022-12-16
EP4089058A1 (en) 2022-11-16
KR20220142933A (ko) 2022-10-24
JP2022164598A (ja) 2022-10-27
US20220336828A1 (en) 2022-10-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11916263B2 (en) Cross-flow interconnect and fuel cell system including same
EP4071120A1 (en) Glass ceramic seal material for fuel cell stacks
US20220393219A1 (en) Fuel plenum and fuel cell stack including same
EP4089058A1 (en) Glass ceramic seal material for fuel cell stacks
US11764389B2 (en) Fuel cell manifold having an embedded dielectric layer and methods of making thereof
US20230238546A1 (en) Fuel cell stacks including improved dielectric layers
US20240243304A1 (en) Glass ceramic seal material for fuel cell stacks
US12027728B2 (en) Methods and devices for preventing thermally-induced stress cracks in large footprint solid oxide fuel cell columns

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20221021