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用于IT-SOFC封接材料硼酸盐玻璃的合成及性能研究

2020-12-11阅读(807)

用于IT-SOFC封接材料硼酸盐玻璃的合成及性能研究

论文摘要

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10.5×10-6K-1～12.1×10-6K-1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。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  • 1.1 课题研究目的及意义
  • 1.2 固体氧化物燃料电池
  • 1.2.1 SOFC 的工作原理
  • 1.2.2 SOFC 的组成
  • 1.3 SOFC 国内外发展状况
  • 1.4 SOFC 封接技术
  • 1.4.1 封接材料特点及要求
  • 1.4.2 封接材料发展现状
  • 1.4.3 平板式SOFC 封接理论与方法及其技术现状
  • 1.5 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 实验仪器与设备/分析测试仪器
  • 2.3 实验工艺过程
  • 2.4 分析测试
  • 2.4.1 差热-热重分析
  • 2.4.2 高温显微镜
  • 2.4.3 玻璃的热膨胀系数、软化温度（Ts） 的测定
  • 2.4.4 场发射扫描电子显微镜
  • 2.4.5 X 射线衍射分析
  • 2.4.6 粒度分布测试
  • 2.4.7 开路电压测试
  • 3 封接材料体系筛选及性能研究
  • 2O3-B2O3-SiO2-La2O3 （BAS）体系'>3.1 BaO-Al2O3-B2O3-SiO2-La2O3（BAS）体系
  • 2O3-B2O3-SiO2-La2O3（CAS）体系'>3.2 CaO- Al2O3-B2O3-SiO2-La2O3（CAS）体系
  • 2O3-B2O3-SiO2-La2O3 （BCAS）体系'>3.3 BaO-CaO-Al2O3-B2O3-SiO2-La2O3（BCAS）体系
  • 3.3.1 BCAS 体系各种配方封接材料的热膨胀及封接性能分析
  • 3.3.2 BCAS 体系封接材料物理性能测试及分析
  • 3.3.3 BCAS5 封接材料的差热分析
  • 3.3.4 BCAS5 封接材料的微观结构分析
  • 3.4 本章小结
  • 4 硼硅比对钡钙硼酸盐（BCAS）体系微晶玻璃的影响
  • 4.1 到各种配方封接材料的热膨胀及封接性能分析
  • 4.1.1 BCAS30 密封玻璃
  • 4.1.2 BCAS35 密封玻璃
  • 4.1.3 BCAS40 密封玻璃
  • 4.1.4 BCAS50 密封玻璃
  • 4.2 各种配方封接材料物理性能测试及分析
  • 4.2.1 热膨胀性能
  • 4.2.2 差热分析
  • 4.3 BCAS35 封接材料的差热分析
  • 4.4 BCAS35 封接材料的微观结构分析
  • 4.5 本章小结
  • 5 BCAS5 和BCAS35 的相关性质
  • 5.1 粒度分布测试
  • 5.2 XRD 分析
  • 5.3 热膨胀测试
  • 5.4 BCAS35 玻璃的浸润性
  • 5.5 封接性能测试
  • 5.6 本章小结
  • 6 结论
  • 7 展望
  • 致谢
  • 参考文献

    • 相关论文文献

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