用于IT-SOFC封接材料硼酸盐玻璃的合成及性能研究

作     者：廖花妹 

作者单位：景德镇陶瓷学院 

学位级别：硕士

导师姓名：罗凌虹

授予年度：2011年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：固体氧化物燃料电池(SOFC) 封接材料 硼硅酸盐玻璃 热膨胀系数 

摘      要：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(SOFC)具有低消耗,高能量密度的优点,但在封接技术上面临严重挑战,需要有效的封接材料阻止原料气体渗漏,这对封接材料提出了很高的要求。因此,封接材料的优化和封接技术的改进与电池性能的好坏直接相关。 硼酸盐体系微晶玻璃是目前国内外的主要研究方向,本实验首先在阅读大量文献的基础上对钡硼酸盐玻璃(BAS)、钙硼酸盐玻璃(CAS)和钡钙硼酸盐玻璃(BCAS)进行体系筛选。首先对封接材料所必须的基本的条件热膨胀匹配性和封接温度进行研究,筛选出了BCAS体系适合于阳极支撑SOFC封接材料。本实验进一步讨论了不同的钡钙含量对玻璃膨胀系数和封接温度的影响,结果为:随着钡含量的增加,玻璃的膨胀系数明显增加;钡含量对玻璃的软化温度(Ts)、玻璃转化温度(Tg)、封接温度(T4)的影响较小。 硼硅比是影响硼酸盐玻璃的一个重要因素,本实验主要从封接材料所需的最基本条件,即封接温度合适以及同电池的其他组件热膨胀相匹配进行探讨得出最适合的硼硅摩尔比。本实验主要讨论了硼硅摩尔比为0.3、0.35、0.4、0.5四种情况。得出了以下结论:随着硼硅摩尔比的增加,玻璃的软化温度(Ts)、玻璃转化温度(Tg)、封接温度(T4)都有所下降,同时热膨胀系数也呈大幅下降趋势。根据我们所需为适用于工作温度为800℃的阳极支撑型中温固体氧化物燃料电池封接材料,得出硼硅比为0.35时封接效果最好,此时玻璃转化温度Tg为614℃,玻璃的开始软化温度为750℃,开始析晶温度为834℃,封接温度为895℃;玻璃的热膨胀变化稳定且在整个封接过程玻璃的热膨胀系数范围为10.5×10K～12.1×10K与电池的其它组件失匹配率最低。 通过上述探讨得出了BCAS5和BCAS35是两种适用于工作温度为800℃的阳极支撑型中温固体氧化物燃料电池封接材料。本实验进一步研究了他们的一些相关性质。结果表明:玻璃粉的粒径是影响玻璃封接的一个重要因素,结果显示球磨8h最合适;通过与阳极的热膨胀系数拟合发现BCAS35玻璃相对于BCAS5玻璃与阳极的失配率更低,通过SEM封接界面图可知:BCAS35玻璃与阳极、阴极、电解质和不锈钢连接板的封接界限清晰,界面结合性非常好;将BCAS35玻璃用于封接氧化铝陶瓷管和单电池,通过测试得出单电池电压为1.1V,进一步说明BCAS35是一种可用于工作温度为800℃的阳极支撑型中温固体氧化物燃料电池的封接材料。