CN1180493C - 使用金属导电胶进行固体氧化物燃料电池快速封接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的使用金属导电胶进行固体氧化物燃料电池快速封接的方法属燃料电池的电解质或器件与其他构件间的封接方法。采用银导电胶作封接材料，经封接体平化处理、接合、烘干、密封、再烘干的工艺过程实现封接。平化处理是采用机械磨削、填充、抛光的方法使封接区域表面平整；接合是在封接区域涂刷厚度在0.5～1mm的银导电胶，再把电解质或器件与相连接的构件装在一起；烘干是在100～200℃进行，经历20～60min。用银导电胶作封接材料，能保证在高温区和低温区都具有良好的气密性和器件间的粘结强度，封接材料附着良好、化学性质稳定和热应力低。本发明的封接方法工艺简单快捷，封接的时间短，且成功率高。
Description
技术领域
本发明属于固体氧化物燃料电池(SOFC)的一种封接方法，特别涉及使用银导电胶对固体氧化物燃料电池的电解质或器件与其他构件间的封接。
背景技术
与本发明相近的背景技术是中国发明专利申请“固体氧化物燃料电池的高温封接材料与封接技术”，申请号：99104482.7，申请日1999年4月23日。该项专利申请采用内封接陶瓷粉材料和外封接玻璃态材料，实现固体氧化物燃料电池的电解质或器件与其他构件间的封接。封接包括物料的准备、清洗封接区、封接、高温处理等过程。
背景技术的SOFC封接方法，虽然可以获得封接效果良好的电池，但是，要经过内、外两种封接物料的准备，使用多种组分加粘接剂、溶剂混合研磨，是很麻烦的；封接要分两步进行，要“静置”、“阴干”，因此工艺时间长；还要经过高温过程(1000～1100℃)，才能实现电池的封接。由于使用硅酸盐系封接材料，不仅存在工艺复杂、工艺时间长等问题，而且还存在热匹配困难，封接成功率低、易与电池器件发生不良化学反应等各种问题，并不太适合于电池封接。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，找到一种金属导电胶用于固体氧化物燃料电池的封接，使工艺过程简单、一次封接用时短、不必高温烧结，组装成在低温下(200℃以下)气密的燃料电池。
本发明的封接材料是银导电胶，通常银导电胶用于制作电极，其组分包括银粉，由双马树脂改性环氧粘接剂、溶剂、固化剂等组成。这种银导电胶早已经公知公用，在商品市场中能随时买到。
本发明中，银导电胶用于固体氧化物燃料电池的电解质或器件与其他构件间的封接。
用银导电胶作封接材料，不必使用两种封接材料，避免了“物料准备”的过程，价格也比贵金属低。还由于电池封接在低温段(400℃以下)靠导电胶中的有机粘接剂密封，高温段(400℃以上)靠银微粒发生烧结体密封，靠金属银的柔韧性缓冲电解质或器件与其他构件间的热应力，故粘接牢固密封性好。用银导电胶作封接材料，不仅能保证良好的气密性和器件间的粘结强度，同时还具有封接材料于器件表面附着良好、化学性质稳定和热应力低的优点。
本发明的使用银导电胶进行固体氧化物燃料电池快速封接的方法，包括平化处理——接合——烘干的工艺完成对固体氧化物燃料电池的电解质或器件与其他构件间的封接。所说的平化处理是，在封接前，采用机械磨削、抛光或填充、抛光的方法对需要封接的区域进行加工，获得平整表面的过程；所说的接合是，在电解质或器件与其他构件封接区域上涂刷厚度在0.5～1mm的银导电胶，然后，把电解质或器件与相连接的构件装在一起，完成燃料电池部件的接合；所说的烘干是，将已经接合的电池部件放在干燥箱或电炉中，控制温度在100～200℃，经历20～60min的过程。
前述的封接过程能在低温下一次完成对电池的封接。为了得到更好的密封效果，可以在烘干之后，再进行一次“密封——二次烘干”过程。所说的密封是在部件的接合部位涂刷银导电胶，使其填充满部件表面空隙和沟壑的过程；所说的再烘干是，进行一次与烘干过程相同的过程。
与现有的封接方式相比较，主要省去了高温烧结过程，代之以低温的烘干，不仅使工艺简化，还由于减小了封接的热循环过程，不会因升降温时不同器件材料的膨胀系数不匹配而导致的过大热应力损坏器件(特别是薄壁器件)的问题，封接的时间从近十个小时缩短到一小时左右，且成功率高。封接用的银导电胶是易得的商品化材料，不仅省去了封接材料的配制，而且降低了成本。由于Ag是各种金属中与氧化物陶瓷附着最好的，因此选用Ag可以大大改善封接材料与氧化物陶瓷器件的附着性能。由于Ag的熔点为961℃(1238K)，起始烧结温度在400～500℃，可以在粘结剂挥发、烧尽之前开始烧结，有效防止因粘结剂挥发而留下孔洞造成的气体泄漏。高温区(500℃)由Ag实现密封，低温区(500℃)以下由银膏中的有机物密封，这样可以实现二者的合理衔接，密封效果好。由于银膏封接所形成的封接区域最终是由小颗粒的银烧结成的多晶近乎致密的银形成，而银作为一种弹性模量较小的金属，在因升降温出现热应力时可以靠较大幅度的变型而缓解热应力对不同部件的作用，避免薄壁的器件损坏。作为热的良导体，银封接材料对热冲击扩散快，还可以防止陶瓷部件因温差太大而发生损坏。此外，在需要导电的情况下，Ag作为电的良导体还可以实现电路的连接；还可以使电池封接与电池首次工作一次完成。
具体实施方式
实施例1 平板结构的小型单电池的封接
以干压法制备的YSZ片(直径13mm，厚约1mm，1300～1400℃烧结8h)为电解质器件，以银为电极和引线，以氧化铝管(外径12mm，内径8mm)为导管，按照平化处理——接合——烘干——密封——再烘干的程序和条件进行封接。完成封接的单电池样品接好引线线路，放入高温电炉进行单电池测试，以H2为燃料、空气中的O2为氧化剂，测量不同工作温度下电池的开路电压，与理论值比较。结果表明，电池的开路电压很接近理论值，显示封接区域未发生气体泄漏，达到了封接的预期效果。
实施例2 串联电池组的封接
利用本发明的平化处理——接合——烘干——密封——再烘干的程序和条件对锥管结构的电池组进行封接，利用实施例1的方法进行连接和处理，并在800～900℃进行试验。结果表明，20节串联电池组的开路电压达到19V，输出功率5.86W。
Claims (3)
1、一种银导电胶的用途，其特征在于，用于固体氧化物燃料电池的电解质与其他构件间的封接。
2、一种使用银导电胶进行固体氧化物燃料电池快速封接的方法，包括接合的过程，其特征在于，使用银导电胶作封接材料，经平化处理——接合——烘干的工艺完成对固体氧化物燃料电池的电解质与其他构件间的封接；所说的平化处理是，在封接前，采用机械磨削、抛光或填充、抛光的方法对需要封接的区域进行加工，获得平整表面的过程；所说的接合是，在电解质与其他构件封接区域上涂刷厚度在0.5～1mm的银导电胶，然后，把电解质与相连接的构件装在一起，完成燃料电池部件的接合；所说的烘干是，将已经接合的电池部件放在干燥箱或电炉中，控制温度在100～200℃，经历20～60min的过程。
3、按照权利要求2所述的使用银导电胶进行固体氧化物燃料电池快速封接的方法，其特征在于，在烘干之后，再进行密封——二次烘干过程；所说的密封是在部件的接合部位涂刷银导电胶，使其填充满部件表面空隙和沟壑的过程；所说的再烘干是，进行一次与烘干过程相同的过程。
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