[發明專利]用于電化學器件的密封接頭結構

無效

• 申請號: 200580040834.4
• 申請日: 2005-11-28
• 公開（公告）號: CN101065860A
• 公開（公告）日: 2007-10-31
• 發明（設計）人: M·C·塔克;C·P·雅各布森;L·C·德容赫;S·J·維斯科
• 申請（專利權）人: 加州大學評議會
• 主分類號: H01M2/08
• 分類號: H01M2/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 溫宏艷;韋欣華

相關申請的交叉引用

本申請要求了于2004年11月30日提交的題為“用于電化學器 件的密封接頭結構”的美國臨時專利申請No.60/632,015的優先權。

政府支持的聲明

本發明得到由美國能源部為了Lawrence?Berkeley國家實驗室的 管理和經營而對The?Regents?of?the?University?of?California授予的合 同DE-AC02-05CH11231下的政府支持。政府在本發明中擁有一些權 利。

發明領域

本發明涉及一種用于高溫電化學器件，例如固體氧化物燃料電 池，特別是模塊的、平行的電化學串聯電池堆的密封接頭。該接頭提 供了密封、結構完整性以及電連接和電絕緣。

背景

固態電化學器件通常是包括兩個多孔電極、陽極和陰極以及布置 于電極之間的致密固體電解質膜件的電池。在典型的固體氧化物燃料 電池的情形中，以分隔開的封閉體系將陽極暴露于燃料下并且將陰極 暴露于氧化劑下，以避免由于采用氫氣燃料可能發生的放熱反應而導 致燃料和氧化劑的任何混合。

電解質膜件通常包括用于固體氧化物燃料電池應用的陶瓷氧離子 導體包括。在其他的器具例如氣體分離器件中，固體膜件可以包括混 合的離子導電材料(“MIEC”)。多孔陽極可以是陶瓷、金屬或陶瓷- 金屬復合材料(“金屬陶瓷”)的層，其與電池的燃料側上的電解質膜 件接觸。多孔陰極通常是混合的離子傳導和導電(MIEC)金屬氧化 物或者導電金屬氧化物(或MIEC金屬氧化物)和離子傳導金屬氧化 物的混合物的層。

為了將電解質膜件的離子傳導性最大化，固體氧化物燃料電池通 常在約900℃-約1000℃的溫度下工作。在合適的溫度下，氧離子容 易遷移通過電解質的晶格。

由于每一燃料電池產生相對小的電壓，因此可以將若干個燃料電 池聯合以提高系統的電容。這種陣列或疊層通常具有管狀或平面設 計。平面設計通常具有沉積在導電互聯件上并且串聯堆疊的平面陽極- 電解質-陰極。然而，由于元件密封和將平面疊層分支的復雜性，平面 設計通常被認為是具有顯著的安全性和可靠性的考慮。采用長的多孔 支承管以及布置于支承管上的電極和電解質層的管狀設計減少了系統 中所需的密封的數目。燃料或氧化劑被引導通過管子中或者圍繞管子 外部的通道。

高溫(例如大于800℃，如約900-1000℃)電化學器件的實用 性受到將多個電池一起或者單個電池連接在電池外殼或支管上的密封 件的質量和堅固性的限制。密封件通常必須提供以下作用的一種或多 種：將氧化劑/燃料/生產氣體彼此隔開和將氣體保存在器件內、在密 封表面之間連接以及電連接或電絕緣。當然，密封材料必須不是系統 中其他材料的污染源。在氧化、還原或腐蝕性環境中，單個材料難以 在升高溫度下實施所有這些作用。

許多類型的密封材料已經被考慮用于高溫電化學器件，這包括陶 瓷粘合劑、玻璃、銅焊和云母耐壓密封件。這些材料各自具有這樣的 限制：阻止其不能履行所有必需的要求。陶瓷粘合劑往往是多孔的、 阻止氣體密封。玻璃提供了優良的初始密封，但由于熱應力導致的破 裂和與連接表面化學反應而因此具有短的壽命。銅焊昂貴并且導電。 云母耐壓密封件通常具有高的漏失率和由于破裂導致的短壽命。

因此，需要一種改進的用于電化學器件的密封接頭。

發明概述

本發明采用緊湊結構的材料的組合以提供用于高溫電化學器件的 接頭的所有必需的功能。還提供了制造接頭的方式。該接頭提供了密 封、結構完整性以及電連接和電絕緣。

在一個方面中，該接頭包括：將連接元件彼此粘結的部分；一個 或多個提供氣密性的密封部分；和在各個連接元件之間提供電連接和/ 或電絕緣的部分?？梢詫⑦@些部分的每一個進一步處理或覆蓋以提高 它們的工作壽命。該接頭牢固、氣密并且在寬的溫度范圍內提供了電 管理。該接頭適用于高溫電化學器件例如固體氧化物燃料電池。

本發明的一個重要特征在于各個接頭功能部分或完全獨立，使得 可以將適合于每一功能的材料和方法組合以制造履行全部功能要求同 時以緊湊體積包含所有功能材料的接頭。傳統上，所述接頭的各個作 用需要功能性實體的物理隔離。這里描述的緊湊接頭被預期為廉價并 且容易制造以及提供了緊湊的多個電池結構。