中溫固體氧化物燃料電池密封材料的設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells,SOFCs)是一種全固態(tài)發(fā)電裝置,通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。它具有能量轉(zhuǎn)化效率高、燃料適用性廣、環(huán)境友好,不需要貴金屬作催化劑等優(yōu)點(diǎn),是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過近三十年的快速發(fā)展,單電池制備技術(shù)已趨于成熟,具備商業(yè)化條件。然而其高溫密封困難的問題尚未解決,成為阻礙SOFC商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵難題之一。開發(fā)具有良好氣密性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和熱疲勞性能的接頭成為研

2、究重點(diǎn)。目前主流的封接技術(shù)——玻璃陶瓷封接、壓縮封接和金屬釬焊封接均存在各自的缺陷,其中金屬釬焊封接在空氣反應(yīng)釬焊和與其他材料形成復(fù)合接頭方面具有較高的研究?jī)r(jià)值。
　　本課題研究的主要目標(biāo)是通過加入低膨脹陶瓷降低金屬釬焊接頭的熱膨脹系數(shù)。研究?jī)?nèi)容有復(fù)合釬料設(shè)計(jì)與制備,釬焊工藝設(shè)計(jì),接頭性能表征與評(píng)估。具體研究工作如下:
　　論文第一章概述了各種燃料電池技術(shù),簡(jiǎn)單介紹了SOFC原理和技術(shù)概況、平板式SOFC密封材料的研究進(jìn)展和

3、發(fā)展趨勢(shì)。然后給出了本文的創(chuàng)新點(diǎn)和研究背景,簡(jiǎn)要羅列了本論文的研究工作。
　　第二章論述了釬料組分設(shè)計(jì)。首先分析各封接技術(shù)后選擇空氣反應(yīng)釬焊作為封接手段,以此為基礎(chǔ)確定釬料基體為Ag-CuO。為解決該組分熱膨脹系數(shù)較大的問題,設(shè)計(jì)加入低膨脹陶瓷形成復(fù)合釬料。簡(jiǎn)單介紹了復(fù)合釬料的原理與研究進(jìn)展,理論與先例證明,采用復(fù)合釬料可以的到熱膨脹系數(shù)較低的接頭。分析采用Ag-CuO空氣反應(yīng)釬焊封接SOFC對(duì)釬料增強(qiáng)相的要求,以及制備工藝成本,

4、選擇顆粒狀A(yù)l2TiO5作為增強(qiáng)相。
　　第三章論述了復(fù)合釬料的制備以及釬焊工藝的制定。采用溶膠凝膠法制備了Al2TiO5粉體,并做了XRD分析。通過球磨與手工研磨調(diào)配成Ag-CuO-Al2TiO5焊膏。設(shè)計(jì)了接頭樣式、焊前表面處理、焊件裝配、接頭金相樣品制備等工藝,采用所調(diào)焊膏釬焊Ni-YSZ陽極支撐SOFC半電池和SUS430連接體。試驗(yàn)表明該釬料可以形成致密牢固的接頭,適宜的釬焊溫度與保溫時(shí)間為980℃和10min,根據(jù)實(shí)驗(yàn)

5、確定了一套相應(yīng)的焊接工藝流程。
　　第四章進(jìn)行了釬焊接頭性能表征與評(píng)估。進(jìn)行泄露率測(cè)定、100h老化和熱循環(huán)等試驗(yàn),并使用掃描電鏡和能譜儀等方法對(duì)封接的氣密性、抗氧化能力、熱循環(huán)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。Al2TiO5顆粒在復(fù)合釬料中分布均勻,提高了接頭性能,該顆粒能促進(jìn) CuO向界面遷移,通過增加其含量并減少CuO含量有望提高焊縫的抗氧化能力。泄漏率<0.001mL/(mincm),開路電壓在工作100小時(shí)和經(jīng)歷8次熱循環(huán)(40