固体氧化物燃料电池陶瓷密封的研究gydF4y2Ba

Apichart Jinnapat, Sirithan Jiamsirilert和Sumittra CharojrochkulgydF4y2Ba

版权AD-TECH;被许可人AZoM.com私人有限公司gydF4y2Ba

这是一篇AZo开放获取奖励系统(AZo- oars)的文章，在AZo- oars的条款下分发gydF4y2Ba//www.wireless-io.com/oars.aspgydF4y2Ba提供了不受限制的使用，所以提供了原始工作的正确用途，但仅限于非商业分配和繁殖。gydF4y2Ba

AZojomo (ISSN 1833-122X)第3卷gydF4y2Ba2007年6月gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

实验的程序gydF4y2Ba

陶瓷胶调查gydF4y2Ba

陶瓷粘结剂制备gydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料的制备gydF4y2Ba

化学兼容性gydF4y2Ba

热的兼容性gydF4y2Ba

泄漏率测量gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

陶瓷胶gydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

参考gydF4y2Ba

详细联系方式gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

合适的密封材料gydF4y2Ba平面设计gydF4y2Ba固体氧化物燃料电池gydF4y2Ba是这项技术商业化的一个关键转折点。这种密封材料的主要要求是气密性好，与相邻部件(电解液和互连器)的附着力好，化学相容性好，热膨胀和电气绝缘的匹配系数好。gydF4y2Ba在本研究中，我们研究了几种陶瓷胶粘剂和玻璃复合材料作为SOFC的密封材料，以钇稳定氧化锆(YSZ)电解液和430不锈钢连接系统为基础，在SOFC的操作条件为800gydF4y2Ba°gydF4y2BaC。gydF4y2Ba玻璃复合材料的漏泄率极低gydF4y2Ba2．4gydF4y2Ba1 x 10gydF4y2Ba^{－４gydF4y2Ba}STP的标准立方厘米每分钟(gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba/分钟厘米)。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

密封、固体氧化物燃料电池gydF4y2Ba一个gydF4y2Badhesion,gydF4y2BacgydF4y2BaompatibilitiesgydF4y2Ba，gydF4y2BalgydF4y2Ba它gydF4y2BargydF4y2Ba吃了gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

固体氧化物燃料电池(SOFC)一直是研究和开发替代电源的兴趣。电是通过电化学反应产生的，分别使用氢基气体和氧作为燃料和氧化剂。平面设计SOFC是有利的，因为产生的功率密度大于管状设计[1]。然而，在平面设计的密封要求所有所需的性能，即良好的气密性，良好的附着力，与其他组件的化学和热兼容性，以及电气绝缘[2]。gydF4y2Ba在模拟SOFC堆垛条件下，双大气[3]下的电性能和腐蚀行为有所不同。在阴极侧附近形成高导电性的氧化物产品，显著地导致在互连器的两侧之间形成桥接。“化学剥离蛭石”已成功地在高达970的高温下使用gydF4y2Ba°gydF4y2BaC [4]但是必须在压缩下使用此密封，这不适合平面设计。云母混合密封的多相复合材料还需要压缩负载以保持气密性[5]。硼硅酸盐玻璃广泛用作SOFC测试站中的密封。软化温度接近SOFC的工作温度，因此气体密封性能相对较好[6]。尽管如此，在氧化和还原气氛中产生氧化硼蒸气[7]，玻璃与玻璃反应gydF4y2Bayttria-stabilized氧化锆(YSZ)gydF4y2Ba200小时后在800-1000gydF4y2Ba°gydF4y2BaC[6]。gydF4y2Ba然而，Cr的溶解度gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba从不锈钢互连或在硅酸盐玻璃导致良好的附着力的钢表面[8]。黏附率随BaO、CaO、SiO的比例而变化gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba的成分。gydF4y2Ba

在我们的研究工作中，我们集中研究了一些未被Boersma等人检测的陶瓷粘合剂gydF4y2Ba．gydF4y2Ba[9]。研究了几种陶瓷-玻璃复合材料的化学相容性和热相容性。该结果对SOFC的应用具有一定的应用前景。gydF4y2Ba

实验的程序gydF4y2Ba

陶瓷胶室内外gydF4y2Ba优化选择gydF4y2Ba

x射线衍射(XRD)谱图gydF4y2Ba-gydF4y2Ba收到由公司提供的陶瓷粘合剂gydF4y2Ba美国Aremco产品有限公司gydF4y2Ba研究了使用gydF4y2Bajol JDX-3530 -2 - theta x射线衍射仪gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

陶瓷粘结剂制备gydF4y2Ba

陶瓷粘合剂由gydF4y2BaAremco产品、公司、gydF4y2Ba表示为569 (AlgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba一个),586 (ZrOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/ mgo）和575（algydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Bab),gydF4y2Ba应用了gydF4y2Ba在尺寸为10毫米× 10毫米的430块不锈钢上。每套200个gydF4y2BaµgydF4y2BaM厚胶粘剂夹在不锈钢之间，在94℃固化gydF4y2Ba°gydF4y2Ba2小时，然后在800度浸泡gydF4y2Ba°gydF4y2Ba3 .选CgydF4y2Ba°gydF4y2Ba每分钟的加热和冷却速度。陶瓷胶粘剂与不锈钢之间的附着力是在加热循环后确定的。研究了表面形貌gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba扫描电子显微镜(SEMgydF4y2Ba终点gydF4y2Ba房子5410)。使用与不锈钢制备相同类型的陶瓷粘合剂，但夹在YSZ (8 mol%钇稳定氧化锆，第一版)颗粒之间gydF4y2BaKigenso Kagaku-Kogyo有限公司gydF4y2Ba(产自日本)压成直径13毫米的球团，在1550℃烧结gydF4y2Ba°gydF4y2BaC在5点停留2小时gydF4y2Ba°gydF4y2Ba每分钟的加热和冷却速度。gydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料的制备gydF4y2Ba

不同比例的耐热玻璃(60-80 wt%)和YSZ (20-40 wt/%)粉。1没有。4gydF4y2Ba在表gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(结果与讨论)在研钵和研钵中混合，并应用于与陶瓷粘合剂相同程序制备的YSZ微丸之间。gydF4y2Ba

化学兼容性gydF4y2Ba

将每一种陶瓷粘合剂与YSZ和430不锈钢粉混合，压成球团。压过的球团被加热到1000度gydF4y2Ba°gydF4y2Ba在空气中放置10小时，再在7%的H中放置gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba用x射线衍射仪(XRD)测定了加热前各组分和加热后微球的相。gydF4y2Ba用玻璃陶瓷复合材料代替陶瓷胶粘剂进行化学相容性试验。gydF4y2Ba

热的兼容性gydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料的试样在800℃下进行了压制和烧制gydF4y2Ba°gydF4y2Ba用膨胀仪(Netzsch, Germany, DIL 402 CD)测量热膨胀系数，然后将其磨成5x5x8mm的尺寸。测量范围在200-1000之间gydF4y2Ba°gydF4y2BaC的加热和冷却速率为3gydF4y2Ba°gydF4y2BaC/min，以氧化铝棒作为参考。gydF4y2Ba

泄漏率测量gydF4y2Ba

泄漏率测量设置是根据ASTM f37 -89(密封垫材料的密封性方法)构建的，如图所示欧洲杯足球竞彩gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba1.gydF4y2Ba

无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba泄漏率测量装置。gydF4y2Ba

将选定的陶瓷胶粘剂涂于外径28 mm，内径14 mm的扁平环形铁素体不锈钢法兰上。如前所述，标本被固化并加热到800度gydF4y2Ba°gydF4y2Ba天然气被用来填满整个管道系统。当管道里充满了He后，阀门被关闭，让气体通过gydF4y2Ba在gydF4y2Ba的压力计gydF4y2Ba测量的gydF4y2Ba泄漏gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

将不同比例的耐热玻璃和YSZ粉末混合在研钵中，并与陶瓷粘合剂相同尺寸的铁素体不锈钢法兰之间应用。步骤与陶瓷粘合剂相同。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

陶瓷胶gydF4y2Ba

表示为569,586和575的陶瓷粘合剂中的相含量如图所示gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba(a)、(b)、(c)。从XRD谱图中可以看出，没有其他杂质相的存在，且不低于5%，这是本文所用XRD方法的检出限。gydF4y2Ba

＊gydF4y2Ba热膨胀系数数据来自gydF4y2BaAremco产品公司gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba(a)、(b)、(c)陶瓷胶粘剂热处理前的XRD图gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在800℃时，几种陶瓷胶粘剂与不锈钢和YSZ球团的粘接试验gydF4y2Ba°gydF4y2BaC，结果汇总于表1。gydF4y2Ba

表1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba不锈钢陶瓷胶粘剂与YSZ的粘接及泄漏率测量。gydF4y2Ba

陶瓷胶粘剂与其他材料之间的热膨胀兼容系数(CTE)表明粘结性能不佳。欧洲杯足球竞彩MgOb的热膨胀相容系数为10.8 KgydF4y2Ba^{－1gydF4y2Ba}与10.5 K铁素体不锈钢相比较gydF4y2Ba^{－1gydF4y2Ba}．MgOb复合材料与铁素体不锈钢的热膨胀系数相近，但其与铁素体不锈钢的粘接性能较差。表1的结果表明，陶瓷胶粘剂AlgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2BaA，MGoA，ALgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Bab, ZrOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/MgO与不锈钢粘接良好，因此用YSZ进一步测试。由于MgOa复合材料的微观结构中存在分散的孔洞，因此没有进一步用YSZ进行测试。除MgOa外的三种胶粘剂经加热和冷却后均与不锈钢粘接良好。gydF4y2BaSEM显微照片见图gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba3 a, b, c显示不锈钢和陶瓷胶粘剂Al的表面gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba一个,艾尔。gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Bab, ZrOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/MgO拆卸后用力，附着力好。它们在不锈钢上留下相当干净的表面。相反，FiggydF4y2Ba保证gydF4y2Ba三维显示了MgOb的表面，部分零件在拆卸过程中脱落。gydF4y2Ba

无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．gydF4y2Ba(a) Al的SEM表面形貌gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Baa (569)gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Bab (575), (c)gydF4y2BaZRO.gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/分别以(586)gydF4y2Ba(d) MgOb(685)基陶瓷胶粘剂(左)与不锈钢(右)的附着力差。gydF4y2Ba

表2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba陶瓷胶粘剂与YSZ和不锈钢的化学相容性的XRD谱图显示相存在。gydF4y2Ba

575gydF4y2Ba

569gydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料gydF4y2Ba

将高热玻璃与YSZ粉按不同比例混合。表3详细列出了泄漏率测量。不同配比的复合材料与不锈钢和YSZ颗粒均有良好的粘结。gydF4y2Ba

表3gydF4y2Ba．gydF4y2Ba与微晶玻璃复合材料的附着力和渗漏率。gydF4y2Ba

由于Pyrex玻璃的润湿性，在一般情况下，微晶玻璃复合材料的渗漏率远低于陶瓷胶粘剂的渗漏率。复合。1的泄漏率最低，甚至低于文献中3.6x10的值gydF4y2Ba^{－４gydF4y2Ba}厘米gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba/分钟厘米gydF4y2Ba在相同的加载[10]。虽然复合号。4个拥有最多gydF4y2Ba与YSZ颗粒和不锈钢相配合的热膨胀过程中，泄漏率最高，与陶瓷胶黏剂的泄漏率相同。通过改变B的比例来控制软化、相分离和结晶过程，可以进一步考察组成比gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba/ SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba［11］．gydF4y2Ba

研究了复合材料的表面形貌。1对不锈钢和YSZ球团的影响与图相似gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba2(一个)。无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba4 (a)表明该化合物在YSZ上具有良好的润湿性，这与良好的附着力有关。无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba4 (b)表面光滑，与fig相似gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba2 (a)和(b)。1 .采用YSZ和430不锈钢。gydF4y2Ba

无花果gydF4y2Ba保证gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．gydF4y2BaSEM分析了复合材料的表面形貌。1在YSZ颗粒(a)和不锈钢(b)上。gydF4y2Ba

表4gydF4y2Ba．gydF4y2Ba复合材料的化学相容性试验。1 .采用YSZ和430不锈钢。gydF4y2Ba

通过化学配伍得到的主要化合物为ZrSiOgydF4y2Ba_4gydF4y2Ba在1000℃热处理10小时后，几乎每种情况下都发生了什么gydF4y2Ba°gydF4y2Ba除在还原气氛中与YSZ接触外。与不锈钢接触，铝gydF4y2Ba_{3.21gydF4y2Ba}如果gydF4y2Ba_{0.47gydF4y2Ba}7%的HgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在Ar. Eichler等人的报道中，二硅酸钡(BaSigydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_5gydF4y2Ba）gydF4y2Ba和钡长石(巴力gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba如果gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_8gydF4y2Ba)作为硼硅酸盐玻璃与铁素体不锈钢[12]的反应产物，经过2000小时的稳定性试验。这些化合物主要来自SiOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba在玻璃部分添加化合物，在不锈钢部分添加元素。因此，向无SiO的微晶玻璃复合材料方向发展gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba抑制其与ZrO的反应gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba并在不锈钢表面有一个保护层，以防止物种的运输。gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

陶瓷粘合剂铝gydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2Ba基材与SOFC器件表现出良好的化学和热相容性，但泄漏率较高。在氧化和还原气氛中，所有的胶粘剂与YSZ和430不锈钢的化学相容性都很好。胶粘剂ZrOgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba/ MgO和AlgydF4y2Ba_2gydF4y2BaOgydF4y2Ba_3.gydF4y2BaB基在相同的0.34-0.35 cm范围内渗漏较少gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba/分钟厘米。80/20 Pyrex/YSZ比的玻璃陶瓷复合材料泄漏量最小，为2.41 × 10gydF4y2Ba^{－４gydF4y2Ba}厘米gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba在氧化和还原气氛中，用YSZ和430不锈钢在1000℃下热处理10小时后，未发现任何杂质相。相比之下，微晶玻璃复合材料在热循环后的泄漏率明显低于胶粘剂。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者要感谢国家金属和材料技术中心的财政支持，用于研究资金和纳卡卡工业大学的COE编程，以获得旅行费用。欧洲杯足球竞彩gydF4y2Ba

参考gydF4y2Ba

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