固体氧化物燃料电池陶瓷密封的研究GydF4y2Ba

Apichart Jinnapat, Sirithan Jiamsirilert和Sumittra CharojrochkulGydF4y2Ba

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AZojomo（ISSN 1833-122X）第3卷GydF4y2Ba2007年6月GydF4y2Ba

涵盖的主题GydF4y2Ba

摘要GydF4y2Ba

关键词GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

实验程序GydF4y2Ba

陶瓷胶调查GydF4y2Ba

陶瓷胶粘剂的制备GydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料的制备GydF4y2Ba

化学兼容性GydF4y2Ba

热兼容性GydF4y2Ba

泄漏率测量GydF4y2Ba

结果与讨论GydF4y2Ba

陶瓷粘合剂GydF4y2Ba

玻璃陶瓷复合材料GydF4y2Ba

结论GydF4y2Ba

确认GydF4y2Ba

参考文献GydF4y2Ba

联系方式GydF4y2Ba

摘要GydF4y2Ba

一个适当的密封材料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在我们的研究中，研究了几种陶瓷粘合剂和玻璃复合材料作为SOFC的密封材料，基于氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电解质和430不锈钢互连系统，在SOFC 800℃的运行条件下GydF4y2Ba°GydF4y2BaC。GydF4y2Ba玻璃的复合材料表现出低的有希望的泄漏率GydF4y2Ba2.4GydF4y2Ba1 x 10.GydF4y2Ba^-4GydF4y2BaSTP的标准立方厘米每分钟(GydF4y2Ba厘米GydF4y2Ba^3.GydF4y2Ba/分钟厘米)。GydF4y2Ba

关键词GydF4y2Ba

印章，固体氧化物燃料电池，GydF4y2Ba一种GydF4y2Badhesion，GydF4y2BaCGydF4y2Ba不耐烦GydF4y2Ba那GydF4y2BaL.GydF4y2Ba它GydF4y2BaR.GydF4y2Ba吃了GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

固体氧化物燃料电池（SOFC）一直在研究和发展利益的替代发电机。电力通过电化学反应使用基于氢的气体和氧作为燃料和氧化剂分别产生。一种平面设计SOFC是有利的，因为产生的功率密度比管状设计[1]的值。然而，在平面设计的密封要求所有的所需性质，即良好的气密性，良好的粘附性，化学和热相容性与其它组分和电绝缘[2]。GydF4y2Ba在模拟的SOFC堆叠条件下，双气氛下的电性能和腐蚀行为不同[3]。阴极侧附近高导电氧化物产物的形成显著地导致互连器两侧之间的桥接形成。”“化学剥落蛭石”已成功用于高达970℃的高温GydF4y2Ba°GydF4y2Ba但是这种密封必须在不适合平面设计的压缩下使用。多相云母复合密封还需要压缩载荷来保持气密性[5]。硼硅酸盐玻璃被广泛用于SOFC测试站的密封。软化温度接近SOFCs的工作温度，因此气体密封性能较好[6]。尽管如此，在氧化和还原气氛中都会产生硼氧化物蒸汽，[7]和玻璃反应GydF4y2Ba氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）GydF4y2Ba200小时后在800-1000GydF4y2Ba°GydF4y2BaC[6]。GydF4y2Ba然而，铬的溶解性GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba由不锈钢互连或硅酸盐玻璃制成，可在钢表面形成良好的附着力[8]。然而，附着力随BaO、CaO和SiO的比例而变化GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba在作文中。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]。陶瓷 - 玻璃复合材料的几种组合物进行了研究，化学和热的相容性。其结果是有前途的固体氧化物燃料电池的应用中使用。GydF4y2Ba

实验程序GydF4y2Ba

陶瓷胶InvestigaGydF4y2Ba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使用GydF4y2BaJEOL JDX-3530 THETA-的2θX射线衍射仪GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

陶瓷胶粘剂的制备GydF4y2Ba

通过供给的陶瓷粘接剂GydF4y2BaAremco PRODUCTS，INC，GydF4y2Ba表示为569 (AlGydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba一个),586 (ZrOGydF4y2Ba_2GydF4y2Ba/MgO)和575 (AlGydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Bab） ,，GydF4y2Ba应用GydF4y2Ba尺寸为10 mm x 10 mm的430不锈钢件上。每套200件GydF4y2Baμ.GydF4y2BaM厚胶粘剂夹在不锈钢之间，在94℃固化GydF4y2Ba°GydF4y2Ba下进行2小时，然后在800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一种GydF4y2Ba扫描电子显微镜（SEM：J-GydF4y2BaEOL.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°GydF4y2Ba下在52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

耐热玻璃（60-80重量％）和YSZ之间的各种比率（20-40重量/％）粉末没有表示。1〜NO。4.GydF4y2Ba在桌子上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°GydF4y2BaC在空气中放置10小时，另一组在7%H内放置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采用玻璃陶瓷复合材料代替陶瓷粘合剂进行化学相容性试验。GydF4y2Ba

热兼容性GydF4y2Ba

玻璃 - 陶瓷复合材料的样品压并在800煅烧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

如图泄漏率测量设置是根据ASTM F 37-89（垫片材料密封性方法）构造亚博网站下载GydF4y2Ba乌尔GydF4y2Ba1.GydF4y2Ba

无花果GydF4y2Ba乌尔GydF4y2Ba1GydF4y2Ba。GydF4y2Ba泄漏率测量设置。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在里面GydF4y2Ba的压力计GydF4y2Ba用于测量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

陶瓷粘合剂GydF4y2Ba

陶瓷胶粘剂中的相含量分别为569、586、575，如图所示GydF4y2Ba乌尔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GydF4y2Ba阿雷姆科产品公司GydF4y2Ba。GydF4y2Ba

无花果GydF4y2Ba乌尔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用不锈钢和YSZ陶瓷粘合剂之间的粘附性和泄漏率的测量。GydF4y2Ba

陶瓷粘合剂和其它材料之间的热膨胀系数（CTE）的系数兼容不提供一个良好的附着力。亚博网站下载MgOb的热膨胀系数兼容的是10.8ķGydF4y2Ba^-1GydF4y2Ba与10.5 K铁素体不锈钢相比较GydF4y2Ba^-1GydF4y2Ba. MgOb化合物与铁素体不锈钢的热膨胀系数相近，但附着力较差。表1的结果表明，陶瓷粘合剂GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2BaMgOa,GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2BaB，和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乌尔GydF4y2Ba3，A，B，C披露的不锈钢和陶瓷粘合剂的Al表面GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba一个,艾尔。GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2BaB，和ZrOGydF4y2Ba_2GydF4y2Ba/ MgO比后拆卸带力良好的粘接性的结果。他们留在不锈钢上相当干净的表面。相反，图GydF4y2Ba乌尔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乌尔GydF4y2Ba3.GydF4y2Ba。GydF4y2Ba（a）中的Al的SEM表面形态GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Baa（569），（b）AlGydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Bab（575），（c）GydF4y2BaZrOGydF4y2Ba_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陶瓷粘合剂XRD图谱显示的相与YSZ和不锈钢的化学相容性试验。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在相同的负载下[10]。虽然没有复合。4拥有最GydF4y2Ba与YSZ颗粒和不锈钢相容的热膨胀，泄漏率似乎最高，与陶瓷粘合剂化合物的泄漏率顺序相同。通过改变B的比例，可以进一步检查组成比，因为软化过程、相分离和结晶都是通过改变B的比例来控制的GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_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乌尔GydF4y2Ba2(一个)。无花果GydF4y2Ba乌尔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乌尔GydF4y2Ba4（b）也显示了类似于图GydF4y2Ba乌尔GydF4y2Ba2（a）和（b）。表4列出了1号复合材料与YSZ和430不锈钢之间化学相容性测试的XRD结果。GydF4y2Ba

无花果GydF4y2Ba乌尔GydF4y2Ba4.GydF4y2Ba。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

从化学相容性结果来看，主要化合物是ZrSiOGydF4y2Ba_4.GydF4y2Ba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_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_5.GydF4y2Ba）GydF4y2Ba和塞尔辛（巴力）GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba如果GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_8.GydF4y2Ba)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玻璃部件中的化合物和不锈钢中添加的元素。因此，发展方向是向无sio2的微晶玻璃复合材料发展GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba抑制其与ZrO的反应GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba在不锈钢表面有一层保护层，防止物种迁移。GydF4y2Ba

结论GydF4y2Ba

陶瓷粘合剂铝GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba基底与SOFC组件具有良好的化学和热相容性，但泄漏率较高。所有与YSZ和430不锈钢的粘合剂化合物在氧化和还原气氛中的化学相容性都相当好。ZrO粘结剂GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba/分别和艾尔GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_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。的80/20的Pyrex / YSZ比值的玻璃 - 陶瓷复合物泄漏的至少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对研究资金的财政支持，以及长冈工业大学为差旅费用编制的COE。亚博网站下载GydF4y2Ba

参考文献GydF4y2Ba

1.GydF4y2BaN.Q. Minh和T. Takahashi，GydF4y2Ba“GydF4y2Ba亚博老虎机网登录科学的陶瓷技术GydF4y2Ba”,GydF4y2Ba燃料电池，Elsevier，荷兰，1995。GydF4y2Ba

2.GydF4y2BaB.C.H.斯蒂尔，“材料燃料亚博网站下载电池”，在先进材料百科全书（编辑D.布鲁尔，R.J.布鲁克，M.C.弗雷明斯和S.马哈詹），号18616RB007，伦敦，Pergamon出版社，1994年。GydF4y2Ba

3.GydF4y2Bav.a.c Haanappel, V. Shemet, I.C. VinkeGydF4y2Ba和GydF4y2Baj•Quadakkers,GydF4y2Ba“一个GydF4y2BaNGydF4y2BaOVELGydF4y2BamGydF4y2Ba习惯于GydF4y2BaE.GydF4y2Ba评估的GydF4y2BaS.GydF4y2Ba适用性GydF4y2BaGGydF4y2Ba小姑娘GydF4y2BaS.GydF4y2Baealant合金GydF4y2BaCGydF4y2BaSOFC下的组合GydF4y2BaS.GydF4y2Ba策略GydF4y2BaCGydF4y2Ba干燥处理”,GydF4y2Ba电源技术，21(3):1 - 7。GydF4y2Ba

4.GydF4y2BaJ.R. Hoyes，“适用于固体氧化物燃料电池应用的商业密封材料”，在6GydF4y2Ba^thGydF4y2Ba欧洲固体氧化物燃料电池论坛，瑞士卢塞恩，2004年，834 - 839。GydF4y2Ba

5.GydF4y2BaJ.W.宏泰GydF4y2Ba“GydF4y2Ba密封胶的GydF4y2BaS.GydF4y2Ba臭的GydF4y2BaO.GydF4y2Ba希德GydF4y2BaFGydF4y2Ba联合环境GydF4y2BaCGydF4y2Ba厄尔GydF4y2Ba”,GydF4y2Ba电源技术，47(2005)46 - 57。GydF4y2Ba

6.GydF4y2BaL. Kindermann, D. Das, D. Bahadur, R. Weib, H. Nickel和K. HilpertGydF4y2Ba那GydF4y2Ba“化学品GydF4y2Ba一世GydF4y2BanteractionsGydF4y2BaB.GydF4y2BaLa-Sr-Mn-Fe-O基合金之间GydF4y2BaP.GydF4y2Baerovskites和GydF4y2BayGydF4y2Battria-stabilizedGydF4y2BaZ.GydF4y2Ba伊科尼亚“，GydF4y2BaJ.IM。陶瓷。SOC。GydF4y2Ba那GydF4y2Ba80（1997）909 - 914。GydF4y2Ba

7.GydF4y2BaS.P.辛纳GydF4y2Ba和GydF4y2BaJ. W.史蒂文森，GydF4y2Ba“GydF4y2Ba抗压GydF4y2BamGydF4y2BaicaGydF4y2BaS.GydF4y2Ba自由党再次对固体氧化物燃料电池GydF4y2Ba一种GydF4y2Ba申请GydF4y2Ba“GydF4y2Ba，J.电源，102（2001）310 - 316。GydF4y2Ba

8.GydF4y2BaS.M. Gross, R. Conradt, P. Geasee, V. Shemet, W.J. Quadakkers, J. RemmelGydF4y2Ba和GydF4y2BaUReisgen，“玻璃陶瓷密封剂和高含铬钢之间的化学相互作用”，GydF4y2Ba如上4GydF4y2Ba，800 - 809。GydF4y2Ba

1.GydF4y2Ba9.GydF4y2BaR. J. Boersma，N. M. SammesGydF4y2Ba和GydF4y2BaY张",GydF4y2Ba固体氧化物燃料电池系统的密封剂材料的特性进行测定亚博网站下载GydF4y2Ba”,GydF4y2Baj·欧斯特。陶瓷。SOC。GydF4y2Ba那GydF4y2Ba34 (1998) 242 - 247.GydF4y2Ba

9.GydF4y2Ba周永胜，J.W.史蒂文森GydF4y2Ba和GydF4y2Ba洛杉矶的小鸡,GydF4y2Ba“ 超低GydF4y2BaL.GydF4y2Ba说GydF4y2BaR.GydF4y2Ba吃的GydF4y2BaHGydF4y2BaybridGydF4y2BaCGydF4y2Ba压缩的GydF4y2BamGydF4y2BaicaGydF4y2BaS.GydF4y2Ba自由党再次为GydF4y2BaS.GydF4y2Ba臭的GydF4y2BaO.GydF4y2Ba希德GydF4y2BaFGydF4y2Ba联合环境GydF4y2BaCGydF4y2Ba尺”,GydF4y2BaJ.Power来源,GydF4y2Ba112（2002）130-136。GydF4y2Ba

10.GydF4y2Ba郑仁，王世荣，聂洪伟GydF4y2Ba和GydF4y2BaT-L。温：“西奥GydF4y2Ba_2GydF4y2Ba-CaO-BGydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2Ba-艾尔GydF4y2Ba_2GydF4y2BaO.GydF4y2Ba_3.GydF4y2BaCGydF4y2BaeramicGydF4y2BaGGydF4y2Ba懒散GydF4y2BaS.GydF4y2Baealant为GydF4y2BaP.GydF4y2Balanar ITSOFC”,GydF4y2BaJ.电源，128（2005）165 - 172。GydF4y2Ba

11.GydF4y2BaK. Eichler, M. Kusnecov, K. Jaenicke-RösslerGydF4y2Ba和GydF4y2BaP. Otschik，“SOFC烟囱密封元件的玻璃箔”，GydF4y2Ba如上4GydF4y2Ba，792-799。GydF4y2Ba

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