稀土改性增强密封玻璃在高温水汽中的稳定性

Glass is widely used as solid oxide fuel cells (SOFC) sealing material because of its hermetic sealing performance at high temperature. However, glass volatilizes, crystallizes and reacts with water in high-temperature steam, which reduces the stability of glass sealants and degrades the security and reliability of SOFC significantly. In this project, we propose to stabilize glass sealants by using rare-earth oxides ReOx (Re = Ce、Pr、Nd……). Through the interaction between glass and rare-earth oxides, the network structure of glass can be stabilized and the hydrophobicity of glass surface can be enhanced. In this project we will: (1) Study the sintering law of rare-earth oxides on glass surface and realize the densification of the oxide layers at lower temperature. (2) Study the interaction between rare-earth oxides and glass and understand the effect of rare-earth oxides on the stability of glass network structure. (3) Study the effect of rare-earth oxides on hydrophobicity, crystallization and hydration of glass, and explore the stabilization mechanism of the glass sealants. (4) Prepare sealing material using stabilized glass by the rare-earth oxides; investigate the applicability of the sealing material in SOFC working environment. In this project, the stabilization of glass sealants in high temperature steam is investigated from the aspects of composition, structure, performance and application, and the results can provide scientific foundation for the development of stable sealing material.

玻璃具有良好的高温密封性能，被广泛用于固体氧化物燃料电池（SOFC）密封。但玻璃在高温水汽环境中的失稳严重影响SOFC长期运行的安全性和可靠性。针对该问题，本项目提出采用稀土氧化物ReOx（Re = Ce、Pr、Nd……）对密封玻璃进行稳定化，通过氧化物与玻璃相互作用稳定玻璃网络、增强玻璃表面疏水特性，从而提高玻璃在水汽中的稳定性。主要研究内容包括：（1）研究氧化物在玻璃表面的烧结规律，实现稳定层的低温致密化；（2）研究稀土氧化物与玻璃的界面作用，认识稀土氧化物对玻璃网络结构的稳定作用；（3）研究稀土氧化物对玻璃疏水特性的改变、对玻璃晶化和水化的抑制，探索玻璃的稳定化机制；（4）研究认识稳定的密封玻璃在SOFC工作环境中的适用性。本项目从组成-结构-性能-应用方面深入探究玻璃在高温水汽中的稳定化，研究成果将为发展稳定的密封材料提供理论依据。目前，初步的研究结果证实了该项目的可行性。

玻璃具有良好的高温密封性能，被广泛用于固体氧化物燃料电池（SOFC）密封。但玻璃在高温水汽环境中的失稳严重影响SOFC长期运行的安全性和可靠性。针对该问题，本项目采用稀土氧化物对密封玻璃进行稳定化，通过氧化物与玻璃相互作用稳定玻璃网络、增强玻璃表面疏水特性，从而提高玻璃在水汽中的稳定性。主要研究内容包括：（1）深入研究了玻璃的网络结构，认识稀土氧化物对玻璃网络结构的稳定作用；（2）研究了氧化物在玻璃表面的烧结规律，实现稳定层的低温致密化；（3）研究稀土氧化物对玻璃疏水特性的改变、对玻璃晶化和水化的抑制，探索玻璃的稳定化机制；（4）研究了稳定的密封玻璃在SOFC工作环境中的适用性。研究结果表明：（1）在SrO–La2O3–Al2O3–SiO2玻璃体系中，稀土氧化物La2O3作用同改性剂SrO相同，提供非桥接氧原子（NBO），破坏Si–O–Si之间的连接。随La2O3含量增加，玻璃网络中的结构单元经历Q4→Q3→Q2→Q1的变化，网络连通程度随之下降。另外，添加La2O3的涂层在玻璃表面不能形成致密的防护层，因而不能有效改善玻璃在高温水汽中的稳定性。（2）CeO2、Pr6O11、Nd2O3不仅对玻璃的网络结构具有积聚作用，而且能增强玻璃表面是疏水能力，从而减少了玻璃表面上玻璃与水之间离子交换反应的发生，因而能够显著增强玻璃在高温水汽中的稳定性。（3）界面相容性实验表明：较高SrO含量的玻璃与合金的界面处，合金氧化、元素相互扩散和化学反应都较为严重。高SrO含量的玻璃表现出较差的密封效果。界面处的氧化物涂层可以有效地限制玻璃与合金间的元素扩散和化学反应。同时，该涂层与玻璃和合金均具有良好的化学相容性，可以有效地改善玻璃/合金之间的化学相容性，取得良好的密封效果。本项目从组成-结构-性能-应用方面深入探究玻璃在高温水汽中的稳定化，研究成果将为发展稳定的密封材料提供理论依据。