专利名称：燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造固体氧化物燃料电池(SOFC)堆的方法，其中组成电池堆的燃料 电池单元和互连板配备有玻璃密封胶，该密封胶在运行前具有显著低于燃料电池其余部分 的TEC。该玻璃密封胶是糊状薄片或玻璃纤维，其组成在包含CaO-MgO-SiO2-Al2O3-B2O3的体 系之内。更具体来说，本发明涉及一种固体氧化物燃料电池堆，其可以通过包括使用具有下 述组成的玻璃密封胶的方法进行制造50-70wt%的Si02、0-20wt%的A1203、10_50wt %的 Ca0、0-10wt%& Mg0、0-6wt%& (Na2CHK2O)、 -IOwt % 优选B2O3 以及
选自 TiO2、ZrO2、F、P205、Mo03、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-O 钙钛矿(LSM)及其组合的功能组分。 该玻璃密封胶优选是以E-玻璃形式存在的玻璃纤维薄片。
背景技术：
SOFC包括氧离子传导电解质、阴极和阳极，其中氧在阴极处还原，氢在阳极处氧 化。SOFC中的总反应是氢和氧发生电化学反应产生电能、热和水。SOFC的运行温度范围是 600到1000°C，通常是650到1000°C，更通常是750到850°C。SOFC在正常运行条件下提供 约0. 75V的电压。因此该燃料电池被组装成电池堆，其中燃料电池通过互连板电连接。一般来说，这种燃料电池包括Y稳定的氧化锆(YSZ)电解质、阴极和阳极以及与电 子导电的互连板接触的层。该互连件串联电池，且通常为燃料电池提供气体供给通道。通 常使用气密性的密封胶以避免阴极区域的空气和阳极区域的燃料彼此混合，它们还为燃料 电池单元和互连板之间提供适宜的粘合。因此，该密封胶对于燃料电池堆的性能、寿命和安 全运行来说十分重要。在运行期间，SOFC经受热循环，因此可能会暴露于拉伸应力中。如果该拉伸应力 超过了燃料电池的拉伸强度，燃料电池将破裂而整个燃料电池堆就会失效。SOFC中拉伸应 力的来源之一是电池堆组件之间的热膨胀系数(TEC)的差异。SOFC堆的高运行温度和热循 环要求互连板由具有与燃料电池单元类似的TEC的材料制成。现在来说，为互连板找到与 电池具有基本相同TEC的适宜材料已成为可能。拉伸应力的另一个更加难以避免的来源是密封胶(通常是玻璃密封胶)与燃料 电池堆中的互连板和电池之间的TEC差异。通常认为，密封胶的热膨胀系数(TEC)应当在 11-13 X KT6IT1 (25-9000C )的范围内，从而与互连板和/或燃料电池的TEC相匹配进而消除 燃料电池组件上裂缝的形成。另外，该密封材料必须在比如40，OOOh的时间范围内保持稳 定，不与其它材料和/或环境气体发生反应。用于气密性密封胶的常见材料是具有各种组成的玻璃，在开发适宜的玻璃组成方 面已经有很多研究我们的EP-A-1010675叙述了多种适用于SOFC的玻璃密封材料，包括碱性氧化物硅酸盐玻璃、云母玻璃陶瓷、碱土金属氧化物硼硅酸盐/硅硼酸盐玻璃以及碱土金属氧化 铝硅酸盐。这篇引文教导了基于干玻璃粉末和填充材料的玻璃密封材料的制备。玻璃粉末 的TEC可以低至7. 5 X IO-6K-1,因此加入填充材料以提高最终玻璃粉末的TEC，从而其与TEC为9-13X KT6IT1的互连板和燃料电池单元基本匹配。EP-A-1200371描述了一种玻璃-陶瓷组合物，其是在特定范围内的A1203、BaO, CaO, SrO, B2O3和SiO2的共混物。该玻璃和结晶化(热处理后)的玻璃_陶瓷显示出从 7X KT6IT1到13X KT6IT1的TEC。然而，该玻璃陶瓷组合物中需要相当大量的BaO以获得高 的TEC。在热处理前，该玻璃-陶瓷的TEC基本上与其它固体陶瓷组件的TEC相匹配(30% 以内)。S. Taniguchi 等人在 Journal of Power Sources 90 (2000) 163-169页上叙述了使 用二氧化硅 / 氧化铝(52% Si02、48% Al2O3 ；FIBERFRAX FFX 纸 #300，Toshiba Monofrax, 厚度0. 35mm)陶瓷纤维作为固体氧化物燃料电池的密封材料。这种密封胶能够抑制燃料电 池中电解质的碎裂，但该气体密封胶的性能还不够，因为在密封材料附近检测到了气体泄漏。US-A-2003/0203267公开了一种多层密封件的使用，其包括使用含有58%的Si02、 约9%的B2O3、约11 %的Na2O、约6%的Al2O3、约4%的BaO和ZnO, CaO和K2O的玻璃材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含气密性密封胶的固体氧化物燃料电池堆，该密封 胶不会引起电池的碎裂，并且与其它电池堆组件之间具有低活性。本发明的另一个目的在于提供一种包含气密性密封胶的固体氧化物燃料电池 堆，该密封胶能够使得电池堆的生产更快，并且在整个电池堆中密封胶有更好的厚度偏差 (thickness tolerance)0本发明还有一个目的是为了提供一种包含气密性密封胶的固体氧化物燃料电池 堆，该密封胶能够在电池堆的运行温度下提供低导电性。这些和其它目的都已被本发明解决。因此，我们提供一种固体氧化物燃料电池堆，其可以通过包括下述步骤的方法获 得(a)通过把至少一个互连板和至少一个燃料电池单元交替形成第一燃料电池堆组 件，其中每一个燃料电池单元包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质，并在互连板 和每一个燃料电池单元之间提供玻璃密封胶，其中该玻璃密封胶具有以下组成50-70wt%m Si02、0-20wt%m A1203、10_50wt % 的 Ca0、0-10wt%& Mg0、0_6wt% 的(Na2CHK2O) ,O-IOwt % ^ B2O3 以及 0_5wt% 的选自 TiO2, ZrO2, F、P2O5, MoO3, Fe2O3, MnO2, La-Sr-Mn-O钙钛矿(LSM)及其组合中的功能组分；(b)通过将所述第一组件加热到500°C或更高的温度以及使该电池堆经受 2-20kg/cm2的负载压力，将所述第一燃料电池堆组件转换为具有厚度为5-100 μ m的玻璃密 封胶的第二组件；(c)通过将步骤(b)的第二组件冷却到低于步骤(b)中的温度，将所述第二组件转 换为最终燃料电池堆组件。优选地，该玻璃密封胶含3_6wt %的B2O3。优选的，步骤(b)中的温度为800°C或更高，负载压力为2-lOkg/cm2。因此，在优 选实施方案中，我们提供了一种可以通过包括下述步骤的方法获得的固体氧化物燃料电池堆(a)通过把至少一个互连板和至少一个燃料电池单元交替形成第一燃料电池堆组件，其中每一个燃料电池单元包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质，并在互连板 和每一个燃料电池单元之间提供玻璃密封胶，其中该玻璃密封胶具有以下组成50-70wt % 的 Si02、0_20wt % 的 A1203、10_50wt % 的 Ca0、0_10wt % 的 Mg0、0_6wt % 的(Na2CHK2O)、O-IOwt %优选B2O3 以及 0_5wt% 的选自 Ti02、Zr02、F、P205、Mo03、 Fe2OyMnOyLa-Sr-Mn-CH1^iCC (LSM)及其组合中的功能组分；(b)通过将所述第一组件加热到800°C或更高的温度以及使该电池堆经受 2-10kg/cm2的负载压力，将所述第一燃料电池堆组件转换为厚度为5-100 μ m的玻璃密封胶 的第二组件；(c)通过将步骤(b)的第二组件冷却到低于步骤(b)中的温度，将所述第二组件转 换为最终燃料电池堆组件。在该说明书中，术语“玻璃密封胶”和“气密性密封胶”可交换使用。步骤(c)的电池堆可以例如被冷却到室温。室温(RT)的含义是第一燃料电池堆 组件制备时的环境温度，一般是20-30°C。通过将所述第一燃料电池堆组件加热到800°C或更高的温度，诸如850°C、900°C、 950°C或更高，同时使用2-lOkg/cm2，优选4-8kg/cm2的负载压力按压电池堆，这可能挤压密 封胶材料从而形成气密且致密的密封胶。然而，该负载压力可以高于lOkg/cm2，例如高达 20kg/cm2，例如14或18kg/cm2。优选的，步骤(b)中的温度在800-900°C的范围内。然而，不 同于加热到800°C或更高，还可以使用较低的温度，例如500-800°C的温度，例如550、600、 650、700或750°C。因此得到的闭合的多孔结构使得密封胶更不易泄漏。得到的密封胶的 厚度在5到100 μ m的范围，通常为5到50 μ m，更通常为10到35 μ m。在另一个优选实施方案中，该玻璃密封胶具有以下组成50-65wt % 的 Si02、0_20wt % 的 A1203、15_40wt % 的 Ca0、0_10wt % 的 Mg0、0_6wt % 的(Na2CHK2O)、3-6wt % 的 B2O3 以及 0_5wt % 的选自 Ti02、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、 La-Sr-Mn-O钙钛矿(LSM)及其组合中的功能组分。应当理解，该玻璃密封胶组成可以没有Al203 (0wt% )，但优选其含有至多20wt% 的Al2O3，例如10-15wt%&Al203。类似的，该玻璃密封胶组成可以没有MgO (Owt % )，但优选 其含有至多10wt%&Mg0，例如0. 5-4wt%&Mg0。该玻璃密封胶的组成可以没有(0wt% ) Na20+K20，但优选其含有至多6wt %的Na20+K20，更优选含至多2wt % Na2O,而不含K2O (Owt % K2O)，最优选含0. 25-2衬％的Na2O,而不含K20。该玻璃密封胶组成可以不含(Owt % ) B2O3， 但B2O3的含量可以至多6衬％或IOwt %。该玻璃密封胶的组成还可以没有(Owt % )选自 TiO2, ZrO2, F、P2O5> MoO3> Fe203、MnO2, La-Sr-Mn-O 钙钛矿(LSM)及其组合中的功能组分，但 它们的含有量还可以高达5wt %。优选的，SiO2, A1203、CaO和MgO的含量占玻璃密封胶组成的85_95wt %或 87-97wt%，而Na2CHK2O和B2O3的含量占玻璃密封胶组成的3_8wt%，以及选自Ti02、F、Zr02、 P2OpMoOyFe2OyMnOpLa-Sr-Mn-CH1^iCC (LSM)及其组合的功能组分占 0-5wt%。同样的，本发明包括具有以下组成的玻璃作为固体氧化物燃料电池堆的玻璃密封 胶的用途50-70wt%mSi02、0-20wt%mAl203、10-50wt%mCa0、0-10wt%&Mg0、0-6wt%的(Na2CHK2O)、O-IOwt %优选B2O3 以及 0_5wt% 的选自 Ti02、Zr02、F、P205、Mo03、
Fe2OyMnOyLa-Sr-Mn-CH1^iCC (LSM)及其组合的功能组分。更具体地，本发明还包括具有以下组成的玻璃作为固体氧化物燃料电池堆中的玻璃密封胶的用途52-56wt%& Si02、12-16wt%& Al203、16-25wt%& Ca0、0_6wt % 的 MgO、
Na20+K20、O-IOwt %优选B2O3 以及 0-1. 5wt% 的 Ti02、0_lwt% 的 F。优选的玻璃是具有以下组成的E-玻璃52_62衬％的Si02、10_15wt %的A1203、 18-25wt%&Ca0、0. 5-4wt%&Mg0、0. 25_2wt% 的 Na20、3. 5-5. 5wt% wt% 的 B2O3,其对应于 在美国专利No. 7，022，634中描述的低硼E-玻璃。本发明因此还包括具有以上组成的E-玻 璃作为固体氧化物燃料电池堆中的玻璃密封胶的用途。另一种优选的玻璃是具有以下组成的E-玻璃52_62衬％的Si02、12_16wt %的 Al203、16-25wt%& Ca0、0-5wt%& Mg0、0_2wt%& (Na2CHK2O)、 -Β203、0_1· 5wt% 的Ti02、0. 05-0. 8wt%&Fe203、0-l. 0wt%的氟化物，其对应于根据ASTM标准名称D 578-05 的E-玻璃。本发明因此还包括具有以上组成的E-玻璃作为固体氧化物燃料电池堆中的玻 璃密封胶的用途。我们已经发现尽管在步骤(a)的第一燃料电池堆组件中的密封材料的TEC非常 低，但仍可能制备出最终燃料电池堆，其中包括密封胶在内的组件的TEC—起运转正常，在 正常运行和热循环期间没有产生泄漏。看起来该密封胶在步骤(c)的冷却过程中维持在压 缩作用下，因为在这个阶段互连板和电池产生了更大的收缩。基于弹性破裂机械模型的计 算表明，玻璃层最大的能量释放速率是20J/m2，接近于电池的最大释放速率(18J/m2)；所述 模型考虑了热膨胀系数的非线性，使用的互连板和电池的TEC为13. 3X KT6IT1 (RT_700°C )， 根据本发明中厚度为11-33 μ m且构成了电池堆的10%的玻璃密封胶的TEC为6X ΙΟ—Γ1。 因此，由于形成了很薄的玻璃密封胶(11-33 μ m)，电池的碎裂并没有发生。在加热步骤(b)中，第一燃料电池堆组件更优选被加热到850-900°C并在该温度 下保持2到6小时的时间。在该保持时间中，甚至在约10小时后，密封胶没有发生明显 的结晶化。然而，经过延长加热过程，例如在850°C大约84小时后，发生了结晶化，并且在 25-800°C的范围内测定的该密封胶的TEC令人吃惊的增加到高达IOX Ι ^ΚΛ该玻璃密封胶在步骤(b)的加热过程中可能会或可能不会结晶化，这取决于使用 的温度和保持的时间。在超过IOOh后的在任何等于或高于800°C的运行过程中结晶化是 不可避免的。例如，在800°C下热处理168h后，密封胶以类似于在850°C下保持84小时获 得组成的组成发生结晶化，导致在25-800°C下测定的TEC高达IOX ΙΟ—Γ1。该密封胶的结 晶相，尤其是当使用具有如上所述的E-玻璃组成的密封胶时，是透辉石，组成上从透辉石 到硅灰石、钙长石和方英石发生变化，而B2O3可能留在玻璃相中。当MgO存在于玻璃透辉石 中时(CaMg) Si2O6可能作为结晶化的第一相。类硅灰石/硅灰石(CaSiO3)结晶在透辉石核 的周围。当Na2O存在于熔体中时，钙长石CaAl2Si2O8与钠长石NaAlSi3O8形成一系列的固 溶体。有限量的K2O也可被包含其中。结晶化密封胶出奇的高TEC看起来是由于形成了透 辉石_硅灰石(TEC约8 X IO-6IT1)和方英石(TEC约20 X ΙΟ^Γ1)，其抵消了低TEC的钙长石 (TEC 约 5Χ IO-6IT1)的存在。结晶化的密封胶在陶瓷电池上施加更少的张力，因此减少了产生碎裂的风险。因 此，该密封胶与燃料电池的其余部分，尤其是互连件匹配的更好，并且燃料电池在热循环期间碎裂的风险被进一步抑制。为了保证密封胶的快速结晶，可以加入成核组分例如Pt、F、TiO2, ZrO2, Mo03、LSM 禾口 Fe2O3。该密封胶由于Na2CHK2O总和带来的碱性组分很少且不含BaO。通常密封胶的低碱 性组分含量由于其保证了低的导电性而是理想的。并且，显著量的碱性元素 对由铬基合金制成的互连件的富Cr氧化物表层具有腐蚀性，该腐蚀通过形成熔点为792°C 的Na2Cr04、熔点为976°C的K2CrO4或最小熔点为752°C的(Na，K)2Cr04而发生。这些组分在 800°C变得不稳定且在该温度下运行时会导电。然而，为了在更接近800°C的温度运行，在玻 璃密封胶中较高含量的Na20或K20可能是必须的，因为碱性组分倾向于降低玻璃的软化点。 在现有技术中为提高TEC而使用碱土金属BaO也可能对Cr氧化物表层有腐蚀性，从而形成 可能造成脱离性碎裂的BaCr04。在本发明的另一个实施方案中，步骤(a)中的玻璃密封胶以玻璃纤维片的形式进行提供。这里使用的术语“玻璃纤维片”定义为应用于步骤(a)中的一层厚度为0. 10到 1. Omm的玻璃纤维，其对应于根据本发明的5到100 μ m厚的处理后的致密密封胶层。玻璃 纤维片优选纤维玻璃纸，更优选E-玻璃纸，例如包含或负载纤维量在20到200g/m2，优选30 到100g/m2，例如50到100g/m2的纤维玻璃纸。优选的，玻璃纤维片面对电池单元包含100到200g/m2的纤维和面对互连板包含 20到50g/m2或60g/m2的纤维。更优选，玻璃纤维片面对电池包含70到100g/m2，例如IOOg/ m2的纤维和面对互连板包含30-60g/m2，例如50g/m2的纤维，这对应于约40和20 μ m厚度的 根据本发明的处理后的致密密封胶层。最优选的，玻璃纤维片为E-玻璃纸并面对电池包含 70到100g/m2，例如100g/m2和面对互连板包含30_60g/m2，例如50g/m2的纤维，这对应于约 40和20 μ m厚度的根据本发明的处理后的致密密封胶层。更具体来说，使用例如面对电池 80g/m2的量产生的密封胶厚度约30 μ m,而面对互连件30g/m2的量产生的厚度为约10 μ m。 通过提供不同厚度的面对电池和面对互连板的玻璃纤维片，达到SOFC电池堆的高级密封。将该密封胶以玻璃纤维片，例如玻璃纤维衬垫、诸如E-玻璃纤维的形式来提供， 与以粉末和/或糊料形式提供密封胶的燃料电池堆相比产生更好的厚度偏差。该密封胶在 最终燃料电池堆中的厚度为5-100 μ m，优选5-50 μ m，更优选10-40 μ m，该厚度被保持在一 个特定的窄的范围内，比如士5μπι。因此，与通过传统溅射或通过将由例如粉末制成的浆料 或糊料沉积的方式提供密封胶的燃料电池堆相比，在最终燃料电池堆的燃料电池单元之间 密封胶的厚度差异被消除或至少显著减小。并且，在步骤(a)中密封胶以玻璃纤维片的形 式被提供能够使得包含该密封胶的固体氧化物燃料电池堆可以通过将可商业买到的E-玻 璃纤维纸进行简单的冲压来制备，而不用求助于贵得多的替代工艺，例如与将玻璃粉末制 成浆料或糊料以制备密封胶或添加填充材料以提高密封胶的TEC的步骤相关的工艺步骤 的实现。玻璃纤维片可以是切碎的E-玻璃纤维，例如0. 10-1. 0mm，优选厚度为0. 3-1. Omm 的片形式的商品E-玻璃，对应于在最终燃料电池堆中密封胶的厚度为5-50μπι，通常为 10-40 μ m，更通常为10-35 μ m，例如20 μ m，尤其为11-33 μ m。E-玻璃纤维片是商业可得的 (例如，50到100g/m2的E-玻璃)，并且其用途是在燃料电池堆中提供适宜密封胶问题的简单廉价的解决方案，所述适宜密封胶为在运行期间抑制燃料电池碎裂、气密性的、为电池提供电绝缘并与互连板具有低反应性的密封胶。当使用E-玻璃作为初始玻璃材料时，该E-玻 璃也优选以玻璃纤维片，例如E-玻璃纤维纸的形式来提供。由于E-玻璃可以被制成成辊 的玻璃纤维，带有燃料或氧化剂各自通道对应的孔的密封胶的形状可以通过简单的冲孔方 法来高效且便利的提供。在另一个实施方案中，步骤(a)中的密封胶负载有以MgO、钢粉、石英、白榴石及其 组合为形式的填充材料。填充材料的高TEC能够获得对应于互连板的TEC，即12-13X KT6IT1 的复合玻璃密封胶。在另一个实施方案中，该玻璃密封胶是通过混合具有权利要求1提及的组成的玻 璃粉末和粘合剂以及有机溶剂而形成的糊料。该糊料被用于丝网印刷或作为制备密封胶用 的分配器(dispenser)中的糊料。该玻璃粉末可以通过与以MgO、钢粉、石英、白榴石及其组合的形式存在的填充材 料混合从而生产出具有12-13 X KT6IT1的TEC的玻璃。再一次重复，不考虑该玻璃是以玻璃纤维片抑或糊的形式被提供，通过本发 明可以将初始玻璃纤维材料转换为薄的玻璃密封胶，即5-100 μ m，通常5-50 μ m，优选 11-33 μ m，在最终燃料电池堆中其是致密的因此也是气密性的，即密封的。这是高度期望 的，因为密封的密封胶有助于防止阳极中的燃料和相邻燃料电池单元的阴极中的氧化剂的 混合。该密封性看起来是由于通过在加热步骤(b)中施加到电池堆上的负载和在该步骤中 使用的温度而被压在一起的单根纤维间的完全结合而产生的，所述温度通常至少等于玻璃 密封胶的软化点(大于800°C)。从而制得了关闭的孔状结构或致密的玻璃。该密封胶相 对高的软化温度(高于约800°C )使得该密封胶在燃料电池堆的运行温度例如750-800°C 保持高粘度，例如IO9-IO11Pa-St
图1示出了根据本发明制备的10个电池的电池堆在26天时间的总运行过程中的 21次热循环的窗口(以两天为单位)。图2示出了在40天的时间内以平均值形式表示OCV(开路电压)的曲线图(以5 天为单位)。
具体实施例方式实施例1 带有内部给料和排气孔的300 μ m厚的阳极支撑电池，已经解蔽了在歧管区域的 接触层，从而将通过这些多孔结构的泄漏最小化。在其两侧面上都覆盖有相同形状的被冲 孔的E-玻璃纤维纸的金属垫圈框架，被以这样一种方式置于电池的两侧来自歧管孔的空 气被允许穿过阴极且燃料气体被允许穿过阳极侧。在电池和垫圈组件的上面和下面置有带 歧管孔的互连板。该E-玻璃纸面对电池含有100g/m2的纤维和面对互连板含有50g/m2的 纤维，其分别对应于40和20 μ m厚的根据本发明在约880°C的温度和约6kg/cm2的负载压力 下处理后的致密层。制备具有5个电池的电池堆，在经过一个完整的热循环的两个电池堆 中阳极和阴极侧之间的交叉泄漏在RT下测定为低至0. 05和0. 09%。用气相色谱法测得，该方法使用阴极侧的氧气中2XN2浓度的步骤并测量在阳极侧运行过程中的N2摩尔浓度，通过阳极侧和阴极侧相同的气体压力我们得到双倍的每个步骤中阳极中&N2mole%，其示出 了存在泄漏且是由扩散控制的，可能是由于通过电池的多孔结构(主要是阳极载体)的扩 散导致的。阴极侧增大的气体压力没有对阳极侧的交叉泄漏产生任何影响。E-玻璃的XRD谱图示出了硅灰石、CaSiO3 (透辉石，(Ca，Mg) SiO3也与该谱图吻合， 其存在取决于玻璃中的MgO含量)以及钙长石(CaAl2Si2O8，其可以含有高达IOmole %的 NaAlSi3O8)和方英石(cristobalite), (SiO2)的存在。通过OCV(开路电压)可以看出(图2)，运行过程中的21次热循环或将十电池电 池堆移除到其它测试设备上(图1)没有对电池中燃料侧和空气侧的交叉泄漏产生任何显 著影响。图2中OCV的平坦曲线表示出本发明能够通过简单的方式(使用E-玻璃纤维纸 作为玻璃密封胶的前体)制备最终燃料电池堆，其中包括密封胶在内的电池堆的组件在一 起运行良好，没有在正常运行过程和热循环中产生泄漏。并且，在氧化层和E-玻璃之间没 有发生衰退的反应。类似的平坦OCV曲线也可以通过以下的实施例获得实施例2 类似实施例1，但E-玻璃密封胶被渗过(通过浸涂或溅射)或带有包含 20-50vol%的尺寸为1-5μπι的MgO颗粒、3%的PVA和67vol %的乙醇的浆料。实施例3:类似实施例2 ；其中浆料含有20-50vol%的尺寸为1-3 μ m的AISI316L粉末。实施例4 类似实施例2 ；其中浆料含有20-50vol%的白榴石。
权利要求
固体氧化物燃料电池堆，其通过包括以下步骤的方法可以获得(a)通过把至少一个互连件和至少一个燃料电池单元交替形成第一燃料电池堆组件，其中每一个燃料电池单元包括阳极、阴极和置于阳极和阴极之间的电解质，并在互连板和每一个燃料电池单元之间提供玻璃密封胶，其中该玻璃密封胶具有以下组成50-70wt％的SiO2、0-20wt％的Al2O3、10-50wt％的CaO、0-10wt％的MgO、0-6wt％的(Na2O+K2O)、0-10wt％的B2O3以及0-5wt％的选自TiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-O钙钛矿(LSM)及其组合中的功能组分；(b)通过将所述第一燃料电池堆组件加热到500℃或更高的温度以及使该电池堆经受2-20kg/cm2的负载压力，将所述第一燃料电池堆组件转换为具有厚度为5-100μm的玻璃密封胶的第二组件；(c)通过将步骤(b)的第二组件冷却到低于步骤(b)中的温度，将所述第二组件转换为最终燃料电池堆组件。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池堆，其中B2O3的含量是3-6wt%。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池堆，其中在步骤(b)中，温度为 800°C或更高并且负载压力为2-lOkg/cm2。
4.根据权利要求1-3任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中Si02、A1203、CaO和 MgO的含量占玻璃密封胶组成的85-95wt%，Na2CHK2O和B2O3的含量占玻璃密封胶组成的3-8wt%，而选自TiO2、F、ZrO2、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2 和 La-Sr-Mn-O 钙钛矿(LSM)及其组合 中的功能组分占0-5wt%。
5.如权利要求1-4任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中该玻璃密封胶是具有以 下组成的玻璃52-62wt%& Si02、10-15wt%& A1203、18_25wt% 的 Ca0、0. 5-4wt% ^ MgO, 0.Na20、3. 5-5.B2O3。
6.如权利要求2-4任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中该玻璃密封胶是具 有以下组成的玻璃52-62wt % 的 Si02、12-16wt % 的 A1203、16_25wt % 的 Ca0、0_5wt % 的 Mg0、0-2wt % 的(Na2CHK2O) ,O-IOwt % 的 Β203、0_1· 5wt % 的 TiO2,0. 05-0. 8wt % 的 Fe203、氟化物)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中在步骤(a)中的玻璃 密封胶以玻璃纤维片的形式被提供。
8.如权利要求1-7中任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述玻璃纤维片面对 电池包含70-100g/m2的纤维和面对互连板包含30-60g/m2的纤维。
9.如权利要求1-8中任一项所述的固体氧化物燃料电池堆，其中步骤(a)中的玻璃密 封胶负载有形式为MgO、钢粉、石英、白榴石及其组合的填充材料。
10.固体氧化物燃料电池堆，其中所述玻璃密封胶是通过将具有权利要求1-4所述组 成的玻璃粉末和粘合剂以及有机溶剂混合形成的糊料。
11.如权利要求10所述的固体氧化物燃料电池堆，其中所述玻璃粉末与形式为MgO、钢 粉、石英、白榴石及其组合的填充材料相混合。
12.具有以下组成的玻璃作为固体氧化物燃料电池堆中玻璃密封胶的用途 52-56wt % 的 Si02、12-16wt % 的 A1203、16_25wt % 的 Ca0、0_6wt % 的 Mg0、0_6wt % 的 Na20+K20、O-IOwt %优选B2O3、0-1.Ti02、0_lwt% 的 F。
13.具有以下组成的E-玻璃作为固体氧化物燃料电池堆中玻璃密封胶的用途 52-62wt % 的 Si02、10-15wt % 的 A1203、18_25wt % 的 Ca0、0. 5-4wt % 的 Mg0、0. 25_2wt % 的 Na20、3. 5-5.B203。
14.如权利要求12或13所述的用途，其中所述玻璃以玻璃纤维片的形式提供。
15.如权利要求14所述的用途，其中所述玻璃纤维片面对电池含有70-100g/m2的纤维 和面对互连板含有30-60g/m2的纤维。
全文摘要
固体氧化物燃料电池堆，其可以通过包括使用玻璃密封胶的方法获得，该玻璃密封胶组成如下50-70wt％的SiO2、0-20wt％的Al2O3、10-50wt％的CaO、0-10wt％的MgO、0-6wt％的(Na2O+K2O)、0-10wt％的B2O3以及0-5wt％的选自TiO2、ZrO2、F、P2O5、MoO3、Fe2O3、MnO2、La-Sr-Mn-O钙钛矿(LSM)及其组合中的功能组分。
文档编号C09J1/00GK101841052SQ20101013465
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月15日 优先权日2009年3月13日
发明者C·奥尔森, J·G·拉森, M·D·詹森 申请人:托普索燃料电池股份有限公司