三明治结构SOFC高温密封材料的气体渗漏特性和密封机理研究

Solid oxide fuel cell (SOFC) is a kind of environmentally friendly and efficient energy conversion device. However, high temperature hermetic seal is one of the major difficults greatly restricting the its development. High performance seals can successfully ensure isolation between fuel and air. Traditional ceramic and glass seals have certain problems in interface sealing and long term stability. This project proposes a new research idea that a flexible SOFC seal with sandwich structure is designed by adjusting the composition of seal materials.This design of seal is expected to improve its high temperature stability, eliminate gas leakage of sealing interface and realize dynamic sealing in different component. Based on Al2O3-Al composite seals substrate prepared by tape casting, an improved theory of permeability has been employed to demonstrate gas permeation paths and fluid-solid coupling rule in special porous materials, clarify the mechanism that reaction bonding can improve sealing performance and structural strength.A combination of computer simulation and high resolution technique was used to obtain the understanding how thin ceramic-glass seals optimize sealing interface and enhance stress dissipation ability. The roles of element diffusion and chemcial reaction in sealing failure of interfaces were discussed. The relationship will be investigated between the performance of seals and temperature load, seal thickness, thermal stress. All of these points can conduct the development of novel seals with composite functions and gradient structure.

固体氧化物燃料电池（SOFC）是环境友好的高效能源转换装置，高温密封是制约其技术发展的主要瓶颈之一，高性能密封材料可以保证燃料气与空气的有效隔绝。传统的陶瓷和玻璃密封材料在界面密封或长期稳定性等方面存在一定的问题。本项目提出新的研究思路，通过调控材料成分构建柔性的三明治结构SOFC密封材料，在功能上实现增强高温密封稳定性和消除气体界面渗漏的目的。针对流延成型的Al2O3-Al复合密封材料基体，阐明键合反应改善其气密性和结构强度的机理性问题，利用改进的渗流理论揭示气体在特殊多孔介质中的扩散行为和流固耦合作用规律。采用高分辨和原位表征技术，结合计算机模拟，获得薄层陶瓷-玻璃复合密封材料提高其界面稳定性和增强应力耗散能力的规律性认识，明晰元素扩散和化学反应在界面密封失效中的作用。探索温度梯度与热应力对高温密封性能的影响和作用机制，为研发功能复合和结构梯度的新型SOFC密封材料奠定理论基础。

1固体氧化物燃料电池（SOFC）是环境友好的高效能源转换装置，高温密封是制约其技术发展的主要瓶颈之一，高性能密封材料可以保证燃料气与空气的有效隔绝。传统的陶瓷和玻璃密封材料在界面密封和长期稳定性方面存在一定的问题。本研究中提出新的思路，通过调控材料成分构建柔性的SOFC复合密封材料，在功能上实现了增强高温密封稳定性和消除气体界面渗漏的目的。通过运用各种表征技术，获得了对于陶瓷-玻璃复合密封材料提高其界面稳定性和增强应力和耗散应力的规律性认识。得到如下有意义的研究成果。（1）通过调控材料成分，我们自主研发了BaO-B2O3-SiO2-ZnO-MgO体系（H-1）、MgO-Al2O3-SiO2-BaO-B2O3-SrO体系（H-4）两个体系的玻璃，基于热膨胀系数匹配与增强高温热稳定性的考虑，制备的玻璃-陶瓷复合材料表现出优异的高温密封性能；（2）通过研究YSZ添加量对玻璃基密封材料性能的影响，发现YSZ添加量为20wt%时H1-20与H4-20两种密封材料的气体泄露率可以降低到0.01sccm cm-1，两者均与相邻组件之间界面结合紧密，并没有明显的元素扩散。随着通气压力由3.4kPa增加至20.4kPa，H4-20密封材料的气体泄露率基本稳定。（3）H1-20与H4-20两种密封材料随着热循环次数增加出现明显的气密性差异，气体泄露率分别呈现逐渐增加与减小的趋势。这是由于H1-20在热应力作用下产生少量缺陷，而H4-20中玻璃的软化与形变导致其微观结构更加致密。（4）经过10次热循环后，H4-20的剪切强度与拉伸强度分别稳定在2.6 MPa与22 MPa，而H1-20的剪切强度和拉伸强度均随循环次数的增加而逐渐降低。这与连接体合金氧化层的厚度与结构密切相关，这些微观特征导致两者的断裂方式明显不同，H1-20密封材料的断裂发生在结合界面位置，而H4-20密封材料的断裂则出现在密封材料内部。（5）陶瓷-玻璃复合密封材料在单电池与电堆的组装与测试中，在开路电压(OCV)，电特性与热循环稳定性等方面都展示了良好的性能，明显优于传统的陶瓷压密封材料与玻璃密封材料，是一类非常有前景的固体氧化物燃料电池高温密封材料。