SOFC封接材料的致密化、热稳定性和自愈合性研究

摘要

固体氧化物燃料电池是一种高效、无污染、直接将化学能转化成电能的装置，主要有管式和平板式两种结构。与管式相比，平板式固体氧化物燃料电池（p-SOFC）具有低消耗，高能量密度的优点，而封接是其商业化应用的核心技术之一。因此，优化封接材料（综合性能满足密封要求）的应用工艺参数和开发新的封接材料是必要的。
　　首先，本文研究p-SOFC35mol％(SrO+La2O3)-5mol%Al2O3-60mol%SiO2（SLAS）封接玻璃粉在不同D50（3.94μm、6.82μm、27.98μm和39.09μm）下和在不同成型压力（5MPa、10MPa、15MPa和20MPa）下对致密化烧结的影响。生坯片烧结后，计算烧结体的线收缩率和体积密度，并通过场发射扫描电镜（FSEM）观察烧结体断面的显微结构。研究表明：在830℃下烧结，当成型压力相同时，D50为6.82μm时，烧结体的线收缩率和体积密度最大；当D50相同时，成型压力为5MPa时，烧结体的线收缩率最大，而成型压力为20MPa时，烧结体的体积密度最大；D50为6.82μm的玻璃粉，在20MPa下成型，烧结体的断面结构致密，满足封接材料自身气体不泄漏的要求。
　　其次，本文研究 p-SOFC26mol%SrO-26mol%CaO-4mol%B2O3-(44-x)mol%SiO2-xmol%GeO2（x=0，11，22，33和44；SCBSG）系锗硅酸盐封接玻璃。通过热膨胀仪、高温显微镜（HSM）、电化学工作站、场发射扫描电镜、综合热分析仪和 X射线衍射仪等系统地研究该玻璃系的热膨胀系数（CTE）、高温润湿性、电绝缘性、化学兼容性和热稳定性，并通过Kissinger方法计算该玻璃系的析晶活化能。研究表明：SCBSG系玻璃的热膨胀系数在9.9×10-6 K-1～11.2×10-6 K-1之间，使用温度在850～950℃之间，阻抗和电导率（logσ）分别在106～107Ω·cm2和-5.2～-8.0之间，与8YSZ电解质（阳极支撑型）结合时界线清晰，转化温度（Tg）和成核峰值温度（Tc）分别在665℃～737℃和731℃～851℃之间，析晶活化能在366.91kJ/mol～422.80kJ/mol之间，SCBSG系玻璃作为p-SOFC封接材料具有潜在的可能。
　　最后，在上一研究中出现低熔点的 Ca0.7Sr0.3GeO3晶相，熔融温度(Tm)是997.5℃，在987℃（Tm CaB4O7）和1122℃（Tm CaB2O4）之间，CaB4O7和CaB2O4适用于p-SOFC自愈合陶瓷密封。自制合成Ca0.7Sr0.3GeO3陶瓷材料，并分别研究其自愈合性能、热机械性能和热稳定性。研究表明：Ca0.7Sr0.3GeO3陶瓷材料显示良好的自愈合性能，以40℃/min的加热速率从室温加热至900℃；与8YSZ电解质(阳极支撑型)的结合界面，热循环60次后界面稳定；在干燥和含30vol.%水蒸气的氧化和还原气氛下850℃保温28天，重量损失在0.45±0.05mg·cm-2～3.26±0.73mg·cm-2之间，此材料是一种潜在的适用于p-SOFC的自愈合陶瓷密封材料。

目录

声明

1绪论

1.1课题研究目的与意义

1.2固体氧化物燃料电池

1.3p-SOFC封接技术

1.4本课题的来源以及主要研究内容

2实验原材料和实验方法

2.1实验原材料

2.2实验仪器和设备/分析测试仪器

2.3封接材料的制备

2.4分析测试

3固体氧化物燃料电池SLAS封接玻璃粉的致密化烧结研究

3.1颗粒度和DTA

3.2线收缩率和体积密度

3.3断面显微结构

3.4本章小结

4固体氧化物燃料电池锗硅酸盐封接玻璃的研究

4.1热稳定性

4.2热性能

4.3析晶动力学参数的计算

4.4封接界面

4.5阻抗和电导率

4.6本章小结

5固体氧化物燃料电池自修复陶瓷封接材料的研究

5.1SCA的DTA和XRD

5.2自愈合性

5.3热机械稳定性和热稳定性

5.4本章小结

6 结 论

7展 望

致谢

参考文献

研究生期间发表的论文