PDF《中温固体氧化物燃料电池微晶玻璃密封材料的研制》

硅酸盐系微晶玻璃则由于其内部 基金项目:安徽省自然科学基金项目(070414186) 、安徽省科技攻 关项目(2008AKKG0332)低维材料及其应用技术教育部重点实验 室开放基金项目(DWKF0802)资助? ? 组分易与 SOFC 组件发生反应而导致电池性能降低[7, 8] . 硼酸盐系微晶玻璃虽在作为密封材料真空和电子技术 领域得到了较为广泛的应用[9] ,但应用于 SOFC 的密封 材料仍有大量的基础和工艺问题有待解决. 由于硼酸盐 玻璃的玻璃转变温度(Tg)与玻璃软化点(Tf)较低, 且以 B2O3 为玻璃形成体时在湿 H2 气氛中长时间运行 失重率较高, 可达 20%[10] , 需要选择合适的添加剂来改 善硼酸盐系密封材料的性能. 本文尝试制备了添加稀土 氧化物 La2O3 的硼酸盐微晶玻璃,并对其相关性能进行 表征,探索新型的中温 SOFC 密封材料.

2 试验方法 2.1 掺加 La2O3 的硼酸盐系微晶玻璃的制备 采用高温熔融法来制备掺加La2O3 的硼酸盐微晶玻 璃.实验中按表

1 的配比分别称取分析纯的 B2O3, BaCO3,Al2O3,SrCO3 和NiO 和La2O3,于玛瑙研钵中 研磨混合后,再在混料机中混合 24h,混合料装入坩埚 中,在电阻炉中,加热至 1350℃,得到熔融态的玻璃 液,随后注入钢模中冷却,并经退火处理.所得玻璃微 晶玻璃部分加工成所需形状尺寸,供性能测试用;

部分 磨碎,过筛(200 目)备用. Table

1 Composition of the glass powders (mol%) 表1实验用玻璃混合料的组成(mol%) Composition B2O3 BaCO3 Al2O3 SrCO3 NiO La2O3 Sample A 41.26 36.11 10.32 5.16 5.16 2.00 Sample B 40.42 35.37 10.11 5.05 5.05 4.00 Sample C 39.58 34.63 9.89 4.95 4.95 6.00 2.2 性能测试 经打磨后尺寸为 50mm*10mm*5mm 的长方形玻璃 试棒,在PCY-Ⅲ型膨胀系数测试仪上,于真空气氛下 以5℃/min 速率升温至 Tf 温度,测定其热膨胀系数.通 过热膨胀曲线可以确定微晶玻璃的玻璃转变温度(Tg) 和软化点温度(Tf)温度.为保证数据的稳定性与可靠 性,每种组分的试样均测试两次,取平均值作为该组分 下的热膨胀系数. 使用 CRY-1P 型差热分析仪测定玻璃 转变温度 Tg、析晶温度 Tc 与软化点 Tf,测试气氛为氩 气,升温速率为 10℃/min. 将制备的负

200 目的微晶玻璃粉末分别置于 YSZ 电解质烧结体(相对密度 98%以上)和430 型不锈钢板 上, 放入箱式电阻炉中, 以5℃/min 的速率升温至

700 ℃使其与 YSZ 粘接,然后降至室温,再升至 600℃,保温10h,反复三次,冷却至室温后,用扫描电子显微镜 (飞利浦 XL30 型SEM,荷兰)观察微晶玻璃与 YSZ 电解质和不锈钢板的界面结合及反应情况. 将适量的不同组成的玻璃粉末置于不锈钢烧舟中, 连同舟体进行干重称量,后将其放入管式炉中,通入湿 H2 气氛并升温至600℃, 保温50h 后取出进行干重称量, 比较失重情况.

3 结果分析与讨论 图1是不同组分的微晶玻璃试样的室温至 Tf 的线 膨胀率曲线.从图

1 可以看出,试样线膨胀系数随着 La2O3 加入量的增加而升高.试样 C 的热膨胀系数更加 接近于 YSZ 电解质(9*10-6 K-1 ~12*10-6 K-1 ),以其作 为密封材料, 在加热冷却循环中残余的应力最小,较适合 于SOFC 的密封. Figure

1 CTE as a function of temperature for tested glass with different composition 图1不同组分微晶玻璃的热膨胀系数随温度的变化 表2列出了功过差热分析获得了不同组分玻璃试 样的玻璃转变温度 Tg、软化点 Tf 和析晶温度 Tc.从表