Металлическая уплотнительная прокладка с керамическим сердечником

Изобретение относится к металлической уплотнительной прокладке для применения в процессе высокотемпературного электролиза или для топливных элементов. Прокладка содержит центральный слой из электроизоляционного материала, два наружных металлических слоя, содержащих элементы, выполненные с возможностью деформирования и сплющивания на подлежащих герметизации опорных поверхностях таким образом, чтобы удерживать прокладку и одновременно выполнять роль герметичного барьера на соединениях, и промежуточные слои из стеклообразного материала для обеспечения соединения с вышеуказанными слоями и поглощения деформаций, связанных с дифференциальными расширениями. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Объектом изобретения является уплотнительная прокладка с металлическими сторонами, важным свойством которой является то, что она является электрическим изолятором.

Ее в основном применяют при производстве водорода путем разложения молекулы воды (Н₂О) в высокотемпературном электролизере, называемом ВТЭ, или при производстве электричества из горючих газов в топливных элементах типа SOFC (от английского Solid Oxide Fuel Cell), но эти варианты применения не являются ограничительными. В обоих случаях электрохимические ячейки, используемые в этих процессах производства, находятся при высокой температуре.

Предшествующий уровень техники

В центре высокотемпературного пароводяного электролизера находятся три основных компонента.

Электрохимические ячейки состоят из трех слоев, включая два пористых электродных слоя - катод и анод, с двух сторон плотного электролита. Этот электролит, чаще всего представляющий собой керамику, становится проводником ионов, когда на него подают соответствующее напряжение.

Два внутренних соединителя, анодный и катодный, соединенные соответственно с анодом и с катодом, входят в контакт с пористыми электродами ячейки. Они могут входить в контакт с электролитом ячейки через прокладку, предназначенную для герметизации анодной и катодной камер.

Согласно принципу работы вода в виде пара разлагается при контакте с катодом. Со стороны катода образуется водород, тогда как ионы кислорода проходят через электролит (ионный проводник) в анодный отсек, где происходит их рекомбинация на уровне электрода.

Подача текучих жидкостей и их удаление требуют применения многочисленных средств герметизации между различными компонентами электролизера, чтобы избегать рекомбинации водород-кислород и утечки этих производимых газов наружу электролизера.

Определяют два типа мест, подлежащих герметизации, - граница раздела металл/металл между внутренними соединителями, где необходимо присутствие электроизоляционной прокладки, и граница раздела металл/керамика, которая требует наличия прокладки, препятствующей сдвигу во время тепловых переходов, связанному с разностью коэффициентов теплового расширения этих материалов, поскольку металлы, применяемые в электролизере, имеют тенденцию к расширению в большей степени, чем керамические компоненты.

Присутствие хрупких материалов в качестве электролита ячейки требует ограничения напряжений и, следовательно, усилий затягивания уплотнительной прокладки.

В среднесрочном и долгосрочном плане следует также учитывать другие моменты, такие как возможность демонтажа и повторного использования внутренних соединителей.

Уплотнительные прокладки, присутствующие в зазорах ячейки, должны сохранять хорошую герметичность при высоких температурах в несколько сот градусов Цельсия, которых они могут достигать. Температурные перепады могут не только сказываться на качестве большинства обычных материалов, но также приводят к значительному сдвигу на прокладке по причине дифференциальных расширений двух опорных поверхностей, между которыми она установлена, или по причине разнородности температуры в ячейке. Другим требованием к прокладке является наличие у нее электроизоляционного свойства.

Большинство материалов не имеют таких свойств. Материалы, которые мало меняют свои свойства при высоких температурах, часто являются механически хрупкими и, следовательно, обладают низкой стойкостью к сдвигу, тогда как материалы, которые обладают пластичностью или которые могут растрескиваться, но не разламываться при сдвиге, могут иметь недостаточные свойства герметичности. Все эти материалы при высоких температурах часто теряют свои первоначальные свойства, что делает их бесполезными. Многие из них не являются электрическими изоляторами. Наконец, некоторые подвержены влиянию коррозии от атмосферы ячейки.

На сегодняшний день не существует уплотнительной прокладки, отвечающей всем критериям для данного типа применения.

В качестве наиболее близкой к изобретению уплотнительной прокладки можно указать прокладку, являющуюся объектом заявки под названием «Уплотнительная прокладка между двумя элементами с разными коэффициентами теплового расширения», поданная под номером № E.N.: 09 57344. Она является металлической уплотнительной прокладкой, и ее основным достоинством согласно названию является приспособленность к тепловым расширениям, однако ее изготовление является слишком сложным. Кроме того, она проводит электричество, поэтому ее нельзя располагать между двумя внутренними соединителями высокотемпературного пароводяного электролизера.

Так называемые компрессионные уплотнительные прокладки, обычно выполняемые из слюды, со временем расслаиваются и часто требуют соответствующих усилий затягивания.

Уплотнительные прокладки на основе припоев имеют проблемы химической совместимости со средой высокотемпературного электролизера.

Уплотнительные прокладки из стеклообразного материала или стеклокерамики обычно приводят к поломке ячейки во время открывания электролизера с целью технического обслуживания, так как, например, после выполнения прокладки она сильно пристает к опорным поверхностям и приводит к разрыву электролита ячейки. Внутренние соединители практически невозможно после этого использовать повторно по причине осаждения этого материала на поверхностях. В целом, уплотнительные прокладки из стеклообразного материала или стеклокерамики не облегчают демонтаж и извлечение основных компонентов высокотемпературного пароводяного электролизера.

Сущность изобретения

Предложенная в рамках изобретения уплотнительная прокладка представляет собой комбинацию слоев из различных материалов, которая позволяет избежать этих недостатков и которую можно использовать для герметизации ячеек, например, при 800°С при степени герметизации порядка 2,10^-5 Па·м³·с^-1 и при перепадах давления в несколько сот миллибар и даже в 1 бар. Она является электрическим изолятором и обладает достаточной коррозионной стойкостью. Она легко поддается демонтажу.

Таким образом, объектом изобретения является уплотнительная прокладка, предназначенная для эксплуатации при рабочей температуре в несколько сот градусов Цельсия, отличающаяся тем, что с каждой стороны от центрального электроизоляционного слоя содержит наружный металлический слой, оснащенный элементом сцепления с герметизируемой поверхностью, и слой связующего между наружным слоем и центральным слоем, при этом слой связующего выполнен из стеклообразного материала или стеклокерамики при рабочей температуре.

Далее со ссылкой на прилагаемую фигуру следует описание изобретения. Прокладка 1 зажата между двумя обращенными друг к другу плоскими опорными поверхностями 2 и 3. Она обеспечивает герметичность ячейки 4, ограниченной также двумя деталями, содержащими опорные поверхности 2 и 3. Она может располагаться по окружности, многоугольнику или по любой другой линии.

Прежде всего прокладка 1 содержит центральный слой 5 из электроизоляционного материала, имеющего низкую газопроницаемость и обладающего большой инертностью по отношению к коррозийным средам. Этот слой сердечника имеет толщину, адаптированную к гнезду, предназначенному для уплотнительной прокладки.

Наружные стороны прокладки образованы двумя металлическими слоями или шайбами 6 и 7, которые расположены соответственно напротив опорных поверхностей 2 и 3 и в середине которых выполнены выступающие элементы 8 и 9 треугольного сечения, вершина которых входит в контакт с соответствующей опорной поверхностью 2 или 3. Когда для герметизации необходимо приложить усилие, эти вершины сплющиваются и их материал входит в тесный контакт с материалом опорных поверхностей 2 и 3, что способствует хорошей герметичности в этом месте. Затягивание не сопровождается чрезмерным сжатием прокладки 1, поскольку деформации сконцентрированы на элементах 8 и 9 из пластичного материала.

Слои связующего 10 и 11 соединяют металлические слои 6 и 7 с центральным слоем 5 сердечника. Они выполнены из стеклообразного материала, в частности из стекла, не подверженного кристаллизации при достигаемой рабочей температуре, или из стеклокерамики. Слои связующего 10 и 11 могут иметь разную или одинаковую природу на одном элементе прокладки в зависимости от входящих с ними в контакт опорных поверхностей.

Кроме своей функции герметизации системы в радиальном и осевом направлениях, набор слоев, включающий в себя металлические шайбы 6 и 7, связующее 10 и 11 и сердечник 5, предназначен также для поглощения сдвигов, связанных с разным расширением опорных поверхностей 2 и 3.

Различные слои могут быть выполнены из листового материала, поэтому изготовление прокладки включает в себя вырезание и сборку слоев, то есть является простым и, в частности, не требует пайки. Габариты прокладки уменьшаются. Ее демонтаж и замена облегчены. Их влияние на среду, то есть на опорные поверхности 2 и 3, является умеренным и не требует значительного шлифования для повторного использования.

В качестве наиболее приемлемых материалов можно указать:

- для центрального слоя 5 сердечника: в идеале керамика типа легированного иттрием двуоксида циркония (YSZ), общая для центрального элемента электрохимических ячеек, стеклокерамика Macor®, легко поддающаяся механической обработке и имеющая коэффициент теплового расширения, близкий к двуоксиду циркония и к металлическим материалам внутренних соединителей, хотя можно также предусмотреть использование глинозема (Al₂O₃), например, для других вариантов применения;

- для наружных металлических слоев 6 и 7: сплавы на основе железа, хрома и алюминия типа ОС404, выпускаемые под маркой FeCrAlloy, или сверхупругие сплавы, такие как Inconnel 718 SPF;

- для промежуточных слоев связующего 10 и 11: стекла из боросиликата натрия и алюминия с высоким содержанием кремния, такие как JV 36 компании СЕА; стеклокерамика из алюмосиликата кальция, такая как CAS компании СЕА; коммерческие решения от компании Schott, такие как 8422 (стекло), G018-304 (стеклокерамика).

Как правило, все эти названия запатентованы.

1. Уплотнительная прокладка (1), предназначенная для эксплуатации при рабочей температуре в несколько сот градусов Цельсия, отличающаяся тем, что с каждой стороны от центрального электроизоляционного слоя (5) предусмотрен наружный металлический слой (6, 7), оснащенный элементом (8, 9) сцепления с герметизируемой опорной поверхностью, и слой связующего (10, 11) между наружным слоем и центральным слоем, при этом слой связующего выполнен из стеклообразного материала или стеклокерамики при рабочей температуре.

2. Уплотнительная прокладка по п.1, отличающаяся тем, что слои связующего (10, 11) являются идентичными или разными в зависимости от герметизируемых границ раздела.

3. Уплотнительная прокладка по п.1, отличающаяся тем, что элементы сцепления имеют треугольное сечение с вершиной, обращенной к опорной поверхности.

4. Уплотнительная прокладка по любому из пп.1 или 3, отличающаяся тем, что металлические слои (6, 7) являются более тонкими, чем центральный слой (12).

5. Уплотнительная прокладка по любому из пп.1 или 3, отличающаяся тем, что центральный слой выполнен из керамики.

6. Уплотнительная прокладка по любому из пп.1 или 3, отличающаяся тем, что слои связующего (10, 11) и центральный слой выбирают в зависимости от коэффициентов теплового расширения между опорными поверхностями (2, 3).