文档介绍：原文:Sealants for solid oxide fuel cells
固体氧化物燃料电池的封接
摘要
对固体氧化物燃料电池(SOFC)应用的主要挑战之一是将空气和燃料分开的合适的密封材料的发展。为实现所需的粘性,机械完整性和稳定性,几种方法已被采用,包括硬密封(无载荷操作)和压密封(操作过程中负载施加于密封)。最常见的方法是使用刚性玻璃或玻璃陶瓷密封件,通过组分的变化其性质为固体氧化物燃料电池使用的量身定制。然而,这些陶瓷材料是脆性,这使金属,金属-陶瓷和陶瓷-陶瓷密封件,无论是刚密封还是压密封都已经制定出来。多相密封材料的使用,可以改善多方面的性能,如润湿性、表面结合、应力释放,从而提高气密性和密封的稳定性。在本文中,讨论了关于制备SOFC密封材料的不同方法。
关键词:固体氧化物燃料电池,密封剂,玻璃-陶瓷
1. 简介
平板式固体氧化物燃料电池(SOFCs)相较于管式SOFC具有更高的功率密度,但其需要高温密封而管式不需要[1–6]。密封材料必须在大范围的氧气分压(空气和燃料)变化中保持稳定,而且不与其他燃料电池组件反应,同时最大限度地减少热在高温作业的热应力,这成为一个在平板式固体氧化物燃料电池发展的重大挑战[7-9]。密封材料的质量一定要高,因为在这些密封材料即使是很小的泄漏会影响电池电位,从而降低电池性能[10-11]。密封材料的热压会随着加热和冷却速率增加,所以密封材料为实现快速的启动的发展尤为重要[12],这是一个相对于质子交换膜燃料电池的主要挑战。此外密封材料的发展趋于复合材料,因为最佳的密封胶材料依赖用于其他燃料电池组件,如互连合金[13]。
SOFC密封组要方法是刚性密封和压缩密封。压缩密封的主要优点是,密封材料是没有硬性固定在其他固体氧化物燃料电池组件,因此一个完全匹配的热膨胀是不必需的。但是,不附加在其它的组件上的气密封需要在操作过程中不断施压。另一方面,刚性密封则不需要此施加压力,但需要符合更严格的要求,如粘附,开裂,热膨胀匹配。
2. 硬密封
玻璃和玻璃-陶瓷密封材料
最常见的固体氧化物燃料电池密封材料是玻璃或玻璃陶瓷,其已被证实运作了1000多个小时而没有明显的性能下降[14]。许多玻璃和玻璃陶瓷密封胶一般使用含有碱金属[15]。虽然有些碱金属已包含在作为固体氧化物燃料电池密封材料玻璃或玻璃陶瓷中,但一般是不这么做的,因为它们与其他燃料电池组件的反应[16-18],可以提高铬[19,20]的挥发,从而导致阴极中毒。碱土金属基的玻璃较常用。
表1:玻璃和玻璃陶瓷密封材料Tg 和CTE的目标排列的标准
图一:SOFC中密封材料的玻璃转变温度(Tg)和热膨胀系数(CET)。虚线矩形是Geasee等人提供的目标范围[21]
选择一个合适的玻璃密封材料的两个重要标准是玻璃化转变温度(Tg)和热膨胀系数(CTE)。玻璃化转变温度是重要的,因为玻璃必须充分流动提供合适的密封,同时保持足够刚性的机械完整性。软化温度(Ts)定义为粘度,它是玻璃流动特性的更直接的测量。然而,Ts的趋势通常追随着Tg,而Tg更容易衡量的,所以Tg的数据更广泛的使用于大的玻璃组成范围内。热膨胀系数的必须与其他电池组元相匹配,如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)的电解质和连接体材料,从而减少热应力。这两个标准的目标范围由Geassee等人建议[21],如图1所示,其对使用玻璃或玻璃陶瓷材料作为固体氧化物燃料电池的密封材料有对应值[18,21-28]。能满足这两个条件具体的成分列于表1。其中有研究希望的成分大多是钡含玻璃陶瓷,具有较大的热膨胀系数。
微晶玻璃[29-31]都是由特定的处于控制状态的结晶玻璃组成,过控制的玻璃的结晶来增加强度;通过控制结晶相的含量及晶相的性质来控制基体的性能。在含钡固体氧化物燃料电池玻璃陶瓷中,结晶提高了热膨胀。例如,图2所示,在SiO2含量不变的情况下,BaO–MgO–SiO2和BaO–ZnO–SiO2热膨胀系数随着BaO含量的增多而增大[26]。这种热膨胀系数的增加是由于形成钡硅酸盐(BaSiO3),其如表2所示[31-36]具有大的热膨胀系数,作为比较,例如,顽火辉石(MgSiO3)。钡铝硅酸盐玻璃陶瓷的结晶,形成钡长石(BaAl2Si2O8)增加或代替钡的硅酸盐[20,22,24,25,35]。常用的两种形式的钡长石,单斜和六边形,如表2所示,热膨胀系数非常不同。Hexacelsian钡霞石固体氧化物燃料电池的应用所需的热膨胀系数高,而monocelsian六方硅铝锶石有一个非常低的热膨胀系数。某些成分,如二氧化硅也可以形成
[37-39]。方石英问题尤其严重,因为冷却过程中displacive位移性转变导致相关的体积减少,从而可能会导致开裂[38,39]。锶