BaO-CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷在SOFC中的应用

研究了BaO-CaO-Al2O3-SiO2体系玻璃陶瓷封接材料在固体氧化物燃料电池中的应用.该体系封接材料与铁酸镧(LSF)阴极材料和Fe-Cr合金连接体之间具有良好的热膨胀性能匹配性,良好的粘接性,并且封接材料与两种电池材料之间有良好的稳定性和相容性,BaO-CaO-Al2O3-SiO2体系玻璃陶瓷可以作为固体氧化物燃料电池的封接材料.     

SOEC电解质与氢电极的流延制备、共烧结及性能

采用流延成型技术同时制备致密固体电解质与多孔阳极半电池坯体,然后采用共烧结技术烧结出半电池.系统地研究了8YSZ陶瓷浆料与氢电极NiO/YSZ浆料的流变学特性.通过DTA和TG曲线确定了半电池的排胶工艺.用扫描电镜观察了半电池的显微结构.在800、850和900 ℃下测试了电池电解性能曲线,且在850、900和950 ℃电解模式下测试了电解质的欧姆阻抗.     

平板式SOFC封接气密性测试研究

封接是平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)研究的热点和难点,目前对封接材料气密性的测试尚没有统一标准.介绍了一种SOFC气密测试装置并使用该装置进行玻璃与云母复合压缩密封的气密性测试,其中金云母与12#玻璃复合压缩密封的电池在800℃,压力为2.8×105Pa,内部气压在5～10 kPa时,得到电池的漏率在0.005～0.0075(cm3·min-1)/cm.初步结论是在云母、玻璃、电解质和金属连接体形成的层状结构中,云母和玻璃的热膨胀系数越是接近电解质的热膨胀系数其封接效果越好.     

轧膜成型法制备SOFC支撑电极工艺研究

结合生产实际介绍了轧膜成型工艺制备电极支撑固体氧化物燃料电池中支撑电极的工艺过程.用此方法制备了厚度为0.8 min的NiO/YSZ阳极坯片和LSM/YSZ阴极坯片,对所得坯片进行预烧结处理,然后在其上面成型电解质薄层.添加20%(质量分数,下同)起孔剂时电极与YSZ电解质的线性收缩率最接近,共烧结容易得到平整的电极支撑半电池.复合阴极的电导性能随孔隙率的增加而下降.使用该方法制各的电极材料从微观结构、机械性能和电性能上都满足SOFC(Solid Oxide Fuel Cells)对电极材料的要求.     

α-Al2O3/YSZ复合陶瓷涂层的抗高温氧化性能

采用在溶胶-凝胶复合陶瓷粉体悬浮液中电泳沉积以及热压滤和微波烧结技术,在1Cr13不锈钢基体上制备出了α-Al2O3/YSZ(YSZ为5 wt%Y2O3部分稳定的ZrO2)复合陶瓷涂层,并对其抗高温氧化性能进行了研究.结果表明,该涂层结构致密无微裂纹,呈现纳米α-Al2O3包覆YSZ颗粒的复合结构.900℃循环氧化实验结果表明,该复合陶瓷涂层具有优异的抗高温氧化和抗剥落性能.这种特性可归因于α-Al2O3包覆YSZ颗粒结构对氧扩散的阻碍作用以及对涂层强度和断裂韧性的增强作用.     

Yb2O3掺杂8YSZ电解质材料的制备和性能研究

用共沉-胶化-低温干燥制备2Yb-8YSZ粉末,喷雾制粒获得球状颗粒.用激光粒度分析,X射线衍射仪(XRD),比表面测定仪(BET)和扫描电子显微镜(SEM)检测粉末和陶瓷体的性能,组织结构和相组成.结果表明,煅烧粉末的粒径为0.86μm,喷雾造粒的颗粒尺寸为17 μm,晶粒尺寸为100 nm,BET=26.66 m2/g.粉末和陶瓷体材料为面心立方结构.高于1 400 ℃烧结陶瓷体的烧结密度大于98%理论密度.陶瓷体电导率的测定结果表明,在1 400～1 600 ℃之间烧结,对材料的电导率影响不明显.2Yb-8YSZ具有高的离子电导率,操作温度大于600 ℃下的电导率达1×10-3 S/m.2Yb-8YSZ材料完全适用于作中温固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质.     

氧化铝、硝酸铝复合YSZ的烧结性能、电性能及力学性能研究

分别以Al2O3、Al(NO3)3为铝源与氧化钇稳定氧化锆（YSZ）机械混合,经干压技术和高温烧结制得YSZ/Al2O3复合材料。通过扫描电子显微镜、电化学交流阻抗谱和三点弯曲测试等方法对样品进行分析,研究了不同铝源和添加量对YSZ电解质烧结性能、电导率及力学性能的影响。结果表明：适量的Al2O3或Al(NO3)3复合均能够促进YSZ的烧结,提高其电导率和弯曲强度;Al2O3作铝源的复合样品的烧结性能和电导率优于Al(NO3)3铝源的,但其强度低于同比例Al(NO3)3铝源。其中,加入0.5 wt.%Al2O3时,所制备的复合电解质经1350 ℃烧结10 h后的相对密度为98.8%;800 ℃时的电导率达0.0703 S·cm-1。基于该材料制备的电解质支撑型单元电池在800 ℃时以氢气为燃料的最大功率密度为308 mW·cm-2,高于纯YSZ电解质电池的,并表现出良好的稳定性。     

固体氧化物燃料电池封接材料和封接实验研究

平板式固体氧化物燃料电池组元材料的封接一直是困扰SOFC快速发展的瓶颈.实验选定封接材料的组成,通过球磨7h～8h后,1300℃～1600℃高温熔融,快速水淬冷却,获得玻璃状材料,球磨后过175 μ m的筛得到实验用封接材料粉末.热膨胀性能测试结果表明,封接材料的热膨胀系数与电解质和金属连接体在同一数量级,表现出良好的热匹配性.将7种封接材料用于电解质与连接体的连接,从900℃到1300℃分别进行了封接实验,确定了S1,S3,S5,S6和S7最适宜的封接温度.对封接样品进行热循环试验,用吸红实验检验气密性,结果显示,使用封接材料S5和S7的封接样品,封接效果较为理想.扫描电镜观察封接界面的微观形貌表明,封接材料与电解质连接较好,但与金属连接不够紧密.实验结果显示,S1,S3,S5,S6和S7均可用于金属与陶瓷的封接,其中,S5,S6和S7的性能更为稳定.     

烧结温度对玻璃/金属复合结合剂金刚石磨具微观结构、力学及磨削性能的影响

在不同温度下,采用热压烧结法制备了含3wt% Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3-Li2O脆性玻璃结合剂的玻璃/金属复合结合剂金刚石磨具,通过扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、XPS、洛氏硬度计、抗折强度试验机、气动圆度测试仪等研究了烧结温度对复合结合剂微观结构、力学及磨削性能的影响。结果表明：随着烧结温度提高,玻璃相发生球形-椭球形-长条状-片层状的形状变化。烧结温度为850℃时,金属与玻璃间出现10-20 nm FeAl2O4过渡层强化了两者界面结合,复合结合剂抗折强度达到最大值826 MPa,硬度为HRB94。烧结温度为900℃时,脆性FeAl2O4过渡层增厚导致抗折强度下降。烧结温度为850℃时,金属结合剂磨具与添加3wt%玻璃结合剂的金刚石磨具相比,加工气缸圆度和直线度平均值分别由3.1μm和2.5μm降低至2.7μm和2.1μm。     

高温润湿特性对玻璃/陶瓷复相体系烧结特性和微观结构的影响

重点研究了Al2O3、金红石TiO2陶瓷相与BaO-B2O3-SiO2玻璃相之间的高温润湿特性及其对玻璃/陶瓷复相材料烧结特性和微观结构的影响.研究表明BaO-B2O3-SiO2/Al2O3之间的接触角大约只有24,两者之间良好的润湿性使玻璃相更容易填满氧化铝之间的孔隙而使致密度提高;而BaO-B2O-SiO2/TiO2之间的接触角大约为124,两者之间不好的润湿性使玻璃相不容易填满金红石之间的孔隙而使致密度难以提高;玻璃与陶瓷之间不同的润湿特性造成玻璃/陶瓷复相材料烧结驱动力的差异,从而导致烧结特性和微观结构明显不同.