一种高温燃料电池玻璃密封材料及其制备方法

本发明涉及密封材料领域，具体涉及一种高温燃料电池玻璃密封材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着经济的快速发展，能源枯竭与环境污染已经成为制约社会可持续发展的关键性因素，故发展高效、清洁的新型能源转换技术成为当今各国面临的重要课题。固体氧化物燃料电池(solidoxide fuel cells,sofcs)是一种全固态能量转换装置，可以通过电化学反应将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，具有能量转换效率高、燃料适应性广、清洁无污染及成本低等优点，被认为是目前最有前景的燃料电池之一。

2、平板式sofcs在燃料电池领域的应用前景最好，其具有功率密度高、生产工艺简单及成本低廉等优势。平板式sofcs电堆是以单电池、密封材料及金属连接体为单元的层叠结构；但是，平板式sofcs电堆的工作环境恶劣，包括工作温度高(600-800℃)、强氧化和还原气氛及反复的冷热循环过程等。平板式sofcs电堆的结构设计与工作环境使得电堆密封问题成为限制其发展的主要难题之一。目前，平板式sofcs电堆的密封方式主要包括：压密封和硬密封。压密封是借助外加压力使密封材料发生变形而实现密封的一种方式。压密封是通过物理结合达到密封效果，故密封材料与相邻组件之间不需满足热膨胀系数的精确匹配，而且电堆的修理简单、方便；但是压密封中外加压力的引入增加了系统的复杂性及制造成本，且压密封的气密性有待提高。硬密封是通过密封材料与相邻组件之间的粘结作用实现密封的一种方式。其中，玻璃基密封材料的密封方式简单，气密性良好；其所需性能可以通过调节成分实现；另外，其生产工艺简单，成本低廉，容易实现大规模的制备。

3、目前，采用流延成型制备玻璃密封垫片是sofcs领域最常用的成型方式，该成型方式获得的素坯需要经过裁剪、叠层、热压、裁剪才能获得满足要求的密封垫片，故该成型方式的工序繁琐、制备周期长，而且密封垫片呈现“回”字型，裁剪过程会产生废料，增加生产成本。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高温燃料电池玻璃密封材料及其制备方法，该方法通过丝网印刷方式实现密封垫片的制备，其不仅简化了制备工序，缩短制备周期，提高生产效率，而且丝网印刷结束剩余的浆料可以回收，即制备过程不会产生废料，生产成本降低。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将玻璃粉体、溶剂、粘结剂、分散剂混合球磨，得到密封浆料；密封浆料依次进行过滤与真空除泡之后，利用丝网印刷机进行印刷；将印刷好的密封材料取下，烘干，得到所述高温燃料电池玻璃密封材料。

5、优选地，所述玻璃粉体的制备方法包括以下步骤：将玻璃粉体的原料按照网络形成体、网络修饰体、中间氧化物、添加剂的摩尔比(40-65)：(20-45)：(2-10)：(2-10)称取原料并混合球磨，再将混合料置于坩埚中，先以1-3℃/min升温至800-1000℃保温2-4h，再以3-5℃/min升温至1300-1550℃熔制2-4h，进行淬火，得到玻璃熔块；最后将玻璃熔块烘干、破碎、球磨。

6、进一步优选地，所述网络形成体为sio2、b2o3中的至少一种；所述网络修饰体为bao、sro、cao、mgo中的至少一种；所述中间氧化物为al2o3；所述添加剂为nio、tio2、zno、y2o3、zro2、la2o3中的至少一种。

7、优选地，所述密封浆料的制备原料还可以包括增塑剂；以所述密封浆料的总质量100wt％计，所述玻璃粉体含量为30-60wt％，所述溶剂含量为30-60wt％，所述分散剂含量为1-10wt％，所述粘结剂含量为1-10wt％，所述增塑剂含量为0-10wt％。

8、进一步优选地，所述溶剂为醇类、酯类、酮类中的至少一种；所述分散剂为byk分散剂、三乙醇胺中的至少一种；所述增塑剂为聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种；所述粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种；在本发明的一些具体实施例中，所述醇类为乙醇、松油醇中的至少一种，所述酯类为乙酸乙酯、乙酸丁酯中的至少一种，所述酮类为环已酮。

9、优选地，所述球磨的转速为200-300rpm，球磨时间为15-30h。

10、优选地，所述丝网印刷烘干温度为50-200℃，烘干时间为0.5-5h，利用印刷次数控制密封材料的厚度。

11、本发明第二方面提供了一种高温燃料电池玻璃密封材料，由所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法制备得到；所述高温燃料电池玻璃密封材料的厚度为50-250μm。

12、本发明第三方面提供了一种固体氧化物燃料电池的密封方法，包括以下步骤：将所述的高温燃料电池玻璃密封材料置于固体氧化物燃料电池的待封接处，首先以1-5℃/min的升温速率将温度升至400-600℃，并保温2-6h，以除去密封垫片中的有机物质；然后以1-5℃/min的升温速率将温度升至800-900℃，并保温0.5-5h，以实现固体氧化物燃料电池的封接。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、本发明通过丝网印刷方式实现密封垫片的制备，其通过设计符合印刷图案的印刷网板可以直接制备满足电堆要求的密封垫片，避免裁剪、叠层、热压、裁剪等过程，简化了制备工序，缩短了制备周期，提高了生产效率；而且丝网印刷结束剩余的浆料可以回收，即制备过程不会产生废料，生产成本降低。

15、另外，本发明通过丝网印刷制备出一种气密性良好、化学性能稳定、热稳定性及力学性能较好的密封垫片，该密封垫片适用于固体氧化物燃料电池电堆。

技术特征：

1.一种高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉体的制备方法包括以下步骤：将玻璃粉体的原料按照网络形成体、网络修饰体、中间氧化物、添加剂的摩尔比(40-65)：(20-45)：(2-10)：(2-10)称取原料并混合球磨，再将混合料置于坩埚中，先以1-3℃/min升温至800-1000℃保温2-4h，再以3-5℃/min升温至1300-1550℃熔制2-4h，进行淬火，得到玻璃熔块；最后将玻璃熔块烘干、破碎、球磨。

3.根据权利要求2所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述网络形成体为sio2、b2o3中的至少一种；所述网络修饰体为bao、sro、cao、mgo中的至少一种；所述中间氧化物为al2o3；所述添加剂为nio、tio2、zno、y2o3、zro2、la2o3中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述密封浆料的制备原料还可以包括增塑剂；以所述密封浆料的总质量100wt％计，所述玻璃粉体含量为30-60wt％，所述溶剂含量为30-60wt％，所述分散剂含量为1-10wt％，所述粘结剂含量为1-10wt％，所述增塑剂含量为0-10wt％。

5.根据权利要求4所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为醇类、酯类、酮类中的至少一种；所述分散剂为byk分散剂、三乙醇胺中的至少一种；所述增塑剂为聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯中的至少一种；所述粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述球磨的转速为200-300rpm，球磨时间为15-30h。

7.根据权利要求1所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，其特征在于，所述丝网印刷烘干温度为50-200℃，烘干时间为0.5-5h，利用印刷次数控制密封材料的厚度。

8.一种高温燃料电池玻璃密封材料，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法制备得到；所述高温燃料电池玻璃密封材料的厚度为50-250μm。

9.一种固体氧化物燃料电池的密封方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求8所述的高温燃料电池玻璃密封材料置于固体氧化物燃料电池的待封接处，首先以1-5℃/min的升温速率将温度升至400-600℃，并保温2-6h，以除去密封垫片中的有机物质；然后以1-5℃/min的升温速率将温度升至800-900℃，并保温0.5-5h，以实现固体氧化物燃料电池的封接。

技术总结本发明公开了一种高温燃料电池玻璃密封材料及其制备方法，所述高温燃料电池玻璃密封材料的制备方法，包括以下步骤：将玻璃粉体、溶剂、粘结剂、分散剂混合球磨，得到密封浆料；密封浆料依次进行过滤与真空除泡之后，利用丝网印刷机进行印刷；将印刷好的密封材料取下，烘干，得到所述高温燃料电池玻璃密封材料。本发明通过丝网印刷制备出一种气密性良好、化学性能稳定、热稳定性及力学性能较好的密封垫片，该密封垫片适用于固体氧化物燃料电池电堆。技术研发人员：王芳,刘红静,苏鹏受保护的技术使用者：长春理工大学中山研究院技术研发日：技术公布日：2024/11/4