技术领域
[0001] 本
发明一般涉及一种用以插入
热膨胀系数不同的任意两个元件之间的密封件。
[0002] 更具体但不排他地来说，本发明适用于电化
电池系统领域，优选高温
电解槽(或HTE)型系统，和/或
燃料电池型系统，优选高温操作型
燃料电池型系统，例如
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells，SOFC)。
背景技术
[0003] 已知的是，可使用高温
蒸汽电解槽来产生氢。为此，
高温电解槽包含多个堆叠式电化电池，每
块电池设有多孔
阳极和多孔
阴极，以及设置在阳极与阴极之间的
电解质。此外，每块电化电池具有分别连接到阳极和阴极并且各自紧密
接触电解质的相关联的阳极互连器和阴极互连器。
[0004] 在供应蒸汽的电解槽的多孔阴极上，发生
水分子离解。通过施加合适的
电压，离子迁移穿过通常由陶瓷制成的固体电解质，以便与
电极重新结合。
[0005] 为了防止氢与氧重新结合，因此设想可以对电解质与阴极互连器之间的连接，以及电解质与阳极互连器之间的连接进行密封，同时能够阻止气体
泄漏到电解槽外，并且阻止气体混合物的形成。
[0006] 在这一方面，应注意的是，假如燃料电池根据与电解槽相反的原理进行操作，那么高温操作型燃料电池的设计与上述设计大体相似。
[0007] 为了提供上述密闭性，需要遵守很多限制条件，尤其在施加弱
力来夹紧密封件的环节，需要避免毁坏/折断易碎的陶瓷电解质。
[0008] 此外，在
温度上升和下降期间必须保持密闭性，这存在相当大的难度，因为每个互连器与电解质之间会产生不同的膨胀现象。实际上，安装并夹紧密封件之后，在升高温度以使系统达到其
工作温度期间，互连器易于在径向方向上相对电解质发生较大
变形。在已知的一体式密封件型解决方案中，由于密封件与互连器之间的相对滑动，这种不同的膨胀导致密封件与互连器之间的密闭性受损。温度下降期间将发生相同现象。
[0009] 这类问题不仅出现在电化电池系统中，更一般来说，出现在包含热膨胀系数不同的两个元件的任意组件中，所述两个元件之间插入有密封件。
发明内容
[0010] 因此，本发明的目标是至少部分地弥补与
现有技术实施方案相关的上述
缺陷。
[0011] 为此，本发明首先涉及一种用以插入分别由热膨胀系数不同的材料制成的第一与第二元件之间的密封件，所述密封件的特点在于其包含：
[0012] -沿与密封件径向方向
正交的轴向堆叠方向隔开的第一和第二金属接触部分，所述第一和第二金属部分分别用以紧密接触所述第一和第二元件；
[0013] -所述第一与第二金属接触部分之间的紧密连接构件，其能够在第一与第二金属接触部分之间沿径向方向进行相对移动；以及
[0014] -沿所述轴向堆叠方向堆叠的第一和第二滑动部件，其分别沿所述径向方向与其间插入有滑动部件的所述第一和第二金属接触部分进行平移连合，以使得滑动部件能够沿所述径向方向相对于彼此滑动。
[0015] 所提出的这个设计的特点在于，可以在温度上升和下降期间保持密闭性。实际上，在安装且夹紧密封件之后的升高温度期间，两个元件中安置在密封件一侧的一个元件易于在径向方向上相对另一个元件发生较大变形。然而，为了避免现有技术中遇到的问题，也就是避免在金属接触部分与其相关联的元件之间产生滑动，这个设计在密封件中心部分提供两个滑动部件，从而滑动会在这两个滑动部件之间产生。因此，尤其是由于所述合适的连接构件，第一和第二接触部分可分别追随第一和第二元件的变形而不在其上滑动，也就是通过保持紧密接触来达到所要效果。温度下降期间会发生相同现象。
[0016] 此外，应注意的是，第一与第二滑动部件之间的相对移动可优选在其界面平面的所有方向，优选与轴向堆叠方向正交的定向。这样一来，不仅可以沿径向方向进行相对移动，也可以沿正交方向进行相对移动，也就是所谓的切线/圆周方向。
[0017] 优选地，所述第一和第二滑动部件彼此相互接触，任选地，滑动部件配备有有利于滑动的涂层。为达同样的目的，可将插入部件沿轴向堆叠方向在第一与第二滑动部件之间插入。
[0018] 优选地，所述第一和第二金属接触部分各自具有沿轴向堆叠方向在密封件外部突出的至少一个紧密接触构件，以及沿轴向堆叠方向朝向密封件内部突出的至少一个平移连合构件，其套设在密封件的相关联的滑动部件中形成的互补孔内。
[0019] 优选地，所述第一和第二金属接触部分由
铁、铬和
铝合金制成，例如，FeCrAlloy品牌。
[0020] 优选地，所述第一滑动部件由合金制成，其包含所占比例至少为72％的Ni元素，所占比例介于14％至17％之间的Cr元素，以及所占比例介于6％至10％之间的Fe元素，例如，属于Inconel 600的一类合金。在所述元件由镍基超合金制成的情况下，也就是在电化电池互连器的一般情况下，这将有助于第一滑动部件的热膨胀系数与其将追随的元件近似或相同。
[0021] 优选地，所述第二滑动部件由钇稳定氧化锆或Macor 制成，也就是易于加工-6的玻璃陶瓷，其具有与氧化锆近似的膨胀系数11×10 且具有以下组成：SiO2(46％)、MgO(17％)、Al2O3(16％)、K2O(10％)、B2O3(7％)及F(4％)。在所述元件由陶瓷制成的情况下，也就是在电化电池电解质的一般情况下，这将有助于第二滑动部件的热膨胀系数与其将追随的元件近似或相同。
[0022] 优选地，所述紧密连接构件由铁、铬和
铝合金制成，例如，同样为FeCrAlloy 品牌。优选地，所述连接构件由与第一和第二接触部分相同的材料制成。
[0023] 优选地，无论是否采用了优选实施方案，密封件优选是大体上环形形状。
[0024] 优选地，第一滑动部件的厚度与第一金属接触部分的厚度的比率介于2至5之间。同样，第二滑动部件的厚度与第二金属接触部分的厚度的比率介于2至5之间。
[0025] 本发明还涉及一种包含至少一个上述密封件的任意组件，所述密封件插入分别由热膨胀系数不同的材料制成的第一与第二元件之间，其中所述组件形成(例如)电化电池系统的部分。
[0026] 优选地，密封件的所述第一和第二滑动部件的热膨胀系数分别与第一和第二元件近似或相同。总的来说，这使得密封件能够更好地追随第一和第二元件的热变形，因为与其相关联的第一和第二滑动部件分别根据相似的幅度而变形。这样一来，在温度上升和下降期间，密闭性的保持可因此得到进一步加强。
[0027] 举例来说，在电化电池系统的一般情况下，第一和第二元件分别由金属和陶瓷制成，例如，高温电解槽和/或燃料电池。
[0028] 在这一方面，本发明还涉及一种包含至少一个上述密封件的电化电池系统。优选地，系统包含至少一个电化电池，其带有阳极、阴极、设置于阳极与阴极之间的电解质，以及与所述电化电池相关联的分别连接至阳极和阴极的阳极互连器和阴极互连器。所述系统还包含至少一个上述密封件，其
定位于所述电解质与阳极互连器之间，和/或定位于所述电解质与阴极互连器之间。优选地，两个独立密封件分别提供于上述两个
位置。
[0029] 如上所述，所述第一和第二滑动部件中的每一个的热膨胀系数优选与阳极和阴极互连器以及电解质之中的元件近似或相同，其中所述元件与所述第一和第二滑动部件相关联。
[0030] 优选地，阳极和阴极互连器是金属，且电解质是陶瓷。
[0031] 如上所述，系统可能是高温电解槽或
高温燃料电池，例如SOFC型电池。
[0032] 在以下的非限制性详细描述中将描述本发明的其它优点和特征。
附图说明
[0033] 参阅附图进行描述，在附图中：
[0034] -图1示出高温电解槽的电化电池的剖面示意图，其经由根据本发明的两个密封件借助于互连器在任一侧
啮合；
[0035] -图2示出图1所示的两个密封件中的一个密封件的半剖详图，所述密封件呈本发明优选实施方案形式的非限制性设计；
[0036] -图3a示出图2所示的密封件被夹紧之后的状态；以及
[0037] -图3b示出图2所示的密封件的膨胀操作状态。
具体实施方式
[0038] 首先参阅图1，可大致看到高温电解槽的电化电池1，其优选地具有平面几何形状。
[0039] 电池的一般设计是已知的，也就是说，电池包含多孔阳极2、多孔阴极4，以及设置在阳极与阴极之间并与它们接触的电解质6。这些部件的形状优选是圆形，并且堆叠在对应于电池的轴8的轴向堆叠方向上。
[0040] 所述电池1具有相关联的阳极互连器2′，其抵压阳极并且在其间限定了可流过
流体的
阳极室或隔间2″。同样，设有阴极互联器4′抵压阴极并且在其间限定了可流过流体
阴极室或隔间4″。
[0041] 一般来说，互连器2′及4′是金属，而固体电解质由陶瓷制成。更优选地，互连器可由镍系超合金制成，例如，市售的Haynes 230 品牌，或者互连器由铁素体
钢制成，例如，市售的CroFer 品牌。
[0042] 为了确保隔间2″及4″的密闭性，在电解质6与互连器2′之间设有密封件10，同时在电解质6与互连器4′之间设有具有相同或相似设计的另一个密封件10。这些密封件优选是轴为轴8的环形，且设置在堆叠的外围上，并且更具体来说，相对于阳极和阴极，密封件在径向方向上靠外。
[0043] 本发明的特性在于这些密封件10的设计，现将借助于一个优选实施方案来描述其中一个密封件。
[0044] 首先参阅图2，图2示出密封件10的半剖视图，可以看出密封件10具有沿轴向堆叠方向8隔开的第一和第二金属接触部分16a及16b，且轴向堆叠方向8与箭头20示出的密封件的径向方向正交。两个部分16a及16b分别用以与阴极互连器4′的底表面和电解质6的顶表面进行外部接触，且所形成的紧密接触优选是线性接触，且更优选是正交于轴8的圆形接触。为此，部分16a及16b各自包含紧密接触构件18a及18b，其沿轴向堆叠方向在密封件外部朝向相关联的元件4′及6突出。这个构件可能是中心在轴8上的环形凸缘，或是围绕同一轴沿圆周分布的多个插脚。在这两种情况下，紧密接触构件18a及18b在包括轴8的径向平面上各自具有朝向其将接触的元件4′及6的大体锥形的横截面。这样一来，锥形最尖端的部分，也就是将与相关联元件4′及6接触的部分，在相对于轴8的正交平面上具有小的横截面，这有利于由于塑料变形而产生显著压缩。
[0045] 此外，每个部分16a及16b还包含沿轴向堆叠方向朝向密封件内部突出的平移连合构件22a及22b。同样，平移连合构件22a及22b也可能是中心在轴8上的环形凸缘，或是围绕同一轴沿圆周分布的多个插脚。此外，举例来说，设想构件18a及18b与安置在同一部分16a及16b上的构件22a及22b以直
角形式安置。
[0046] 因而，优选地，部分16a及16b各自是中心在轴8上的薄圆盘这种一般形式，且由铁、铬和铝合金制成，例如，FeCrAlloy 品牌。
[0047] 部分16a及16b通过紧密连接构件彼此相互连接，在这种情况下，紧密连接构件呈现为径向朝外敞口的内部结构14的形式，且其末端位于两个接触部分16a及16b处并优选通过
焊接刚性连接。内部结构14展示了沿径向方向20的柔性，以便能够在所
支撑的两个接触部分16a与16b之间沿相同方向进行相对移动。为了提供上述柔性，应优选地确保中心在轴8上的这个环形结构14具有径向朝外敞口的大体C或U形的横截面，如图2所示。在这个设计中，相对于下文描述的密封件的其他元件来说，C或U形横截面的基底用作密闭性阻挡件，而两个分支分别承载两个接触部分16a及16b。
[0048] 在所示的实施方案中，U或C形横截面由两个环形半结构制成，其通过焊接或本领域技术人员已知的其它任意技术进行互连。然而，无法设想一体式解决方案。另外，在不偏离本发明范围的情况下，可设想提供这类柔性的其它形状。
[0049] 提供所要柔性的薄型内部结构14也可能是由铁、铬和铝合金制成，例如，FeCrAlloy 品牌。
[0050] 本发明的一个具体特征在于，在密封件内两个接触部分16a与16b之间安装同样堆叠在轴向堆叠方向8上的第一和第二滑动部件24a及24b。中心在轴8上的这两个滑动部件呈环形。部件24a与第一接触部分16a的底表面形成表面接触，而滑动部件24b与第二接触部分16b的顶表面形成表面接触。在这些界面中的每一个界面上，平移连合构件22a及22b穿入互补孔26a及26b内，其设置在正在论述的部件24a及24b上。这就提供了第一接触部分16a与第一滑动部件24a之间沿径向方向20的平移连合，以及第二接触部分16b与第二滑动部件24b之间沿径向方向20的平移连合。
[0051] 此外，两个滑动部件24a及24b互相抵压，优选地抵压在相对于轴8的正交平面上，以便可沿径向方向20相对于彼此滑动，并且，如果有必要的话，也可沿对应于切线/圆周方向的正交方向滑动。上述两个滑动部件可安装有有利于滑动的涂层，而且优选彼此相互接触。
[0052] 如果互连器4′由镍基超合金制成，那么第一滑动部件24a优选由相同材料或已知的Inconel 600合金制成，且上述材料不贵。另一方面，如果互连器4′由铁素体钢制成，例如市售的CroFer 合金，那么第一滑动部件24a优选由同种材料制成。
[0053] 另外，第二滑动部件24b由钇稳定氧化锆或Macor 制成。
[0054] 无论如何，应确保密封件的第一和第二滑动部件的热膨胀系数分别与互连器4′及电解质6近似或相同，以使得滑动部件能够较好地追随互连器4′及电解质6的热变形，如下文详细说明。
[0055] 此外，两个滑动部件24a及24b经制成以在轴8方向上提供密封固定性，甚至在高温状态下，也就是在高于500℃的温度下。
[0056] 优选地，第一滑动部件24a与第一金属接触部分16a的厚度比介于2至5之间。同样，第二滑动部件24b与第二金属接触部分16b的厚度比介于2至5之间。更优选地，在仅受限于
机械加工能力的情况下，第一和第二金属接触部分16a及16b尽可能薄。在这种情况下，元件16a、16b、24a及24b的厚度应取其沿堆叠方向的平均厚度，其中带有突出部分/中空部分18a、18b、22a、22b、26a及26b的区域除外。
[0057] 如图2示意性所示，在电解质6与互连器4′之间安装密封件10的方法最初由这两个元件之间的冷定位启动。在这一阶段，密封件10与元件4′和6中的一个之间可能存在小间隙。
[0058] 举例来说，在接近20℃的温度下、或在更高温度下进行密封件夹紧操作。在这个操作期间，施加轴向负载(例如，通过按压，如图3a中箭头27示意性所示)到密封件上。
[0059] 夹紧期间，密封件10抵压与互连器4′和电解质6相对的表面。这将紧密接触构件18a及18b压向与其相关联的元件4′及6。这分别将接触部分16a及16b与互连器4′和电解质6相互固定。作为一项指示，沿圆形线且垂直于密封件施加的压力负载可能接近3N/mm。
[0060] 然后，将仍承受着压力负载的组件放入熔炉内并且对其进行升温，以便于达到系统的工作温度，例如，接近800℃。
[0061] 在温度上升期间，组件的各个元件都将根据其热膨胀系数所限定的幅度发生热膨胀，尤其沿径向方向。
[0062] 这样一来，人们知道观察两个元件4′及6沿径向方向20的不同热膨胀，却一直忽略了沿轴向方向不同热膨胀的效果。
[0063] 更具体来说，为清楚起见，图3b中以主动夸大的形式示意性地示出，互连器4′移离轴8的距离易于大于电解质6移离轴8的距离，如箭头29示意性所示。
[0064] 然而，这不会破坏上述固定效果，因为滑动并非在金属接触部分16a及16b与相关联的元件4′及6之间产生，而是在两个滑动部件24a与24b之间产生，而这两个滑动部件24a及24b正是出于这个目的而提供在密封件中心处，并且这两个滑动部件24a及24b分别根据相关联的元件4′及6的相似幅度而变形，因为两个滑动部件24a及24b与相关联的元件4′及6的热膨胀系数相同或近似。
[0065] 换句话说，尤其是由于柔性内部结构14的变形，第一和第二接触部分16a及16b分别追随互连器4′和电解质6的变形，而并没有在所述元件4′及6上滑动，也就是通过保持固定所提供的密闭性来达到所要效果。
[0066] 随后电化电池系统可进行工作，而密封件10仍处于受压状态，如图3b所示。
[0067] 最后，应注意的是，第二密封件10与上文所述密封件具有相似设计，且以相反的方式定位在阳极互连器2′与电解质6之间。
[0068] 明显的是，本领域技术人员可对本发明进行各种
修改，但仅视为非限制性示例。
