文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
固体氧化物燃料电池密封材料设计与性能优化
姓名:桑绍柏
申请学位级别:博士
专业:材料学
指导教师:李箭
20080531
华中科技大学博士学位论文
摘要
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种高效、清洁、安静
和可靠的电化学发电装置,适合作为分散、移动电源或大中型电站,在电力、运输
及军事方面均具有广阔的应用前景。出于未来能源战略、环境保护考虑,世界各国
一直致力于 SOFC 发电技术的研究和开发。然而,高温密封问题一直是制约平板式
SOFC 发展的主要技术难点之一。本论文以中温固体氧化物燃料电池(Intermediate
Temperature Solid Oxide Fuel Cell,IT-SOFC)技术为背景,研究开发能够满足平板式
IT-SOFC 的密封要求的压缩式密封材料。
本论文首先分析了平板式 IT-SOFC 密封的特殊性,针对平板式 IT-SOFC 密封中
可能发生的界面泄漏和渗透泄漏,分别建立了一系列流体力学计算模型,对不同条
件下气体的泄漏量进行了理论计算与分析。在此基础上,选择陶瓷密封材料作为研
究对象,对其结构进行了设计,确定了以 Al2O3 微粉为主的原料体系和流延制备工艺。
系统研究了 Al2O3 微粉种类、分散剂、粘结剂、增塑剂、真空除气工艺以及干燥制度
等因素对材料流延成型制备的影响,优化了流延成型制备技术。研制了 IT-SOFC 密
封性能测试平台,对 Al2O3 密封材料和添加 Al 或 BaO-B2O3-SiO2 玻璃的 Al2O3 基复
合密封材料的密封性能进行表征,系统研究了 Al2O3 粉体微观特征、外加载荷以及材
料复合等因素对材料密封性能的影响。为了判断上述密封材料在 IT-SOFC 中的实用
性,选择密封性能良好的密封材料进行了 SOFC 单电池测试。上述研究结果表明:
(1)具有优良化学稳定性、绝缘性和化学相容性的陶瓷材料是平板式 IT-SOFC
密封材料的首要选择。理论计算表明,每厘米宽度陶瓷密封材料上氢气泄漏的质量
流率必须小于 ×10-8 g·s-1,从而要求陶瓷密封材料必须能够消除界面泄漏,将原
料粒度分布的 D50 值控制在 1~2 µm 范围以使绝大部分漏气通道的有效尺寸小于 1
µm,以及尽可能减小材料的有效孔隙率和增加材料中漏气通道的迂曲度。
(2)采用优化的流延成型技术可以制备出表面平整、厚度均匀、柔韧性良好的
Al2O3 密封材料和 Al2O3 基复合密封材料。这些材料均具有较好的耐压能力,其变形
能力能够满足 IT-SOFC 密封装配的需要。
(3)Al2O3 密封材料和 Al2O3 基复合密封材料在较小外加载荷下表现出较好的密
封性能。所有密封材料的漏气率均随着外加载荷增加而下降,随通气压力的增加而
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增加。不同 Al2O3 密封材料性能之间的差异主要与这些材料的微观特征有关。
(4)添加 Al 微粉可以改善 Al2O3 密封材料密封性能。Al 在升温过程中的软化、
变形以及伴随 Al 氧化生成 Al2O3 所产生的体积膨胀均可以减少材料中的漏气通道和
降低材料的孔隙率。通过 Al 的反应键合,可以将数个 Al2O3 颗粒联结起来,在某种
程度上也增加了漏气通道的迂曲度。
(5)BaO-B2O3-SiO2 玻璃微粉的加入对 Al2O3 密封材料密封性能的影响较为复
杂。添加 BaO-B2O3-SiO2 玻璃微粉必须与能够产生有利的反应胶结效应相对应的外加
载荷配合才能提高 Al2O3 密封材料的密封性能。
(6)Al2O3 密封材料的密封稳定性与材料的微结构稳定性有很大关系。部分
Al2O3 密封材料的漏气率随时间推移逐渐变大,与这些材料在某些区域出现新贯通孔
有关。Al→Al2O3 反应键合机制和 BaO-B2O3-SiO2 玻璃的反应胶结作用均有助于密封
稳定性的提高。
(7)单电池性能测试结果表明,采用优化流延成型技术制备的 AS2-69、
AS2-A10、AS2-A20 和 AS4-A20 密封材料均能够满足平板式 IT-SOFC 的密封需要。
关键词:固体氧化物燃料电池;密封材料;氧化铝;流延成型;有效孔隙尺寸;有
效孔隙率;迂曲度
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Abstract
Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a highly efficient, clean, q