Исследование кальций-боросиликатной стеклокерамики в качестве герметика ТОТЭ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье изучена возможность применения кальций-боросиликатной стеклокерамики с большим содержанием оксида бора в качестве герметика для твердооксидных топливных элементов. Материал состава 33 мол. % CaO, 21 мол. % B2O3, 46 мол. % SiO2 был рассмотрен как альтернатива существующим стекло- и стеклокерамическим герметикам на основе алюмосиликатов кальция и бария, которые имеют ограниченную адгезию к материалу биполярных пластин в твердооксидных топливных элементах. Проведенное исследование показало, что герметик указанного состава имеет температура размягчения около 920–930°С, что позволяет использовать его для заклейки батарей топливных элементов при температуре 925°С. Использование относительно невысокой температуры заклейки позволит избежать перегрева элемента при заклейке и предотвратит связанную с этим деградацию служебных характеристик. Исследованный герметик показал отличную адгезию к поверхности стали Crofer 22 APU, используемой в качестве материала биполярных пластин. Кроме того, полученный герметик был термомеханически совместим со сталью Crofer 22 APU и с электролитом на основе ZrO2.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. О. Жигачев

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: zhigachev@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

С. И. Бредихин

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: zhigachev@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Е. А. Агаркова

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: stepanova.ea@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Д. В. Матвеев

Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН

Email: zhigachev@issp.ac.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Laosiripojana, N., Wiyaratn, W., Kiatkittipong, W., Arpornwichanop, A., Soottitantawat, P., and Assabumrungrat, S., Reviews on solid oxide fuel cell technology, Eng. J., 2009, vol. 13, p. 65.
  2. Shao, Z. and Tadé, M.O., Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells, Springer, 2016, 266 p.
  3. Kaur, G., Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Electrolytes, Electrodes and Interconnects, Elsevier Science, 2019, 516 p.
  4. Sing, R. Sealing technology for solid oxide fuel cells (SOFC), Intern. J. Appl. Ceram. Technol., 2007, vol. 4, p. 134.
  5. Lessing, P.A., A review of sealing technologies applicable to solid oxide electrolysis cells, J. Mater. Sci., 2007, vol. 42, p. 3465.
  6. Tietz, F., Thermal expansion of SOFC materials, Ionics, 1999, vol. 5, p. 129.
  7. Singh, K. and Walia, T., Review on silicate and borosilicate-based glass sealants and their interaction with components of solid oxide fuel cell, Intern. J. Energy Res., 2021, vol. 45, p. 20559.
  8. Ghosh, S., Kundu, P., Das Sharma, A., Basu, R.N., and Maiti, H.S., Microstructure and property evaluation of barium aluminosilicate glass--ceramic sealant for anode-supported solid oxide fuel cell, J. Eur. Ceram. Soc., 2008, vol. 28, p. 69.
  9. Fergus, J.W., Sealants for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 2005, vol. 147, p. 46.
  10. Sohn, S.-B., Choi, S.-Y., Kim, G.-H., Song, H.-S., and Kim, G.-D., Stable sealing glass for planar solid oxide fuel cell, J. Non. Cryst. Solids, 2002, vol. 297, p. 103.
  11. Meinhardt, K.D., Kim, D.-S., Chou, Y.-S., and Weil, K.S., Synthesis and properties of a barium aluminosilicate solid oxide fuel cell glass--ceramic sealant, J. Power Sources, 2008, vol. 182, p. 188.
  12. Kermani, P.S., Ghatee, M., and Yazdani, A., Synthesis and Characterization of Barium Aluminosilicate Glass as the Sealant for Solid Oxide Fuel Cell Application, Adv. Ceram. Prog., 2020, vol. 6, p. 25.
  13. Puig, J., Ansart, F., Lenormand, P., Antoine, L., and Dailly, J., Sol-gel synthesis and characterization of barium (magnesium) aluminosilicate glass sealants for solid oxide fuel cells, J. Non. Cryst. Solids, 2011, vol. 357, p. 3490.
  14. Reddy, A.A., Tulyaganov, D.U., Pascual, M.J., Kharton, V.V., Tsipis, E.V., Kolotygin, V.A., and Ferreira, J.M.F., Diopside–Ba disilicate glass–ceramic sealants for SOFCs: Enhanced adhesion and thermal stability by Sr for Ca substitution, Intern. J. Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, p. 3073
  15. Reddy, A.A., Tulyaganov, D.U., Goel, A., Pascual, M.J., Kharton, V.V., Tsipis, E.V., and Ferreira, J.M.F., Diopside — Mg orthosilicate and diopside — Ba disilicate glass–ceramics for sealing applications in SOFC: Sintering and chemical interactions studies, Intern. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, p. 12528.
  16. Xie, J., Hao, W., and Wang, F., The analysis of interfacial thermal stresses of solid oxide fuel cell applied for submarine power, Intern. J. Energy Res., 2018, vol. 42, p. 2010.
  17. Yan, T., Zhang, W., Mao, H., Chen, X., and Bai, S., The effect of CaO/SiO 2  and B 2 O 3 on the sintering contraction behaviors of CaO− B 2 O 3 − SiO 2 glass-ceramics, Intern. J. Mod. Phys. B, 2019, vol. 33, p. 1950070.
  18. Veron, E., Garaga, M.N., Pelloquin, D., Cadars, S., Suchomel, M., Suard, E., Massiot, D., Montouillout, V., Matzen, G., and Allix, M., Synthesis and structure determination of CaSi 1/3 B 2/3 O 8/3 : a new calcium borosilicate, Inorg. Chem., 2013, vol. 52, p. 4250.
  19. Dai, B., Zhu, H., Zhou, H., Xu, G., and Yue, Z., Sintering, crystallization and dielectric properties of CaO− B 2 O 3 − SiO 2 system glass ceramics, J. Cent. South Univ., 2012, vol. 19, p. 2101.
  20. Chang, C.-R. and Jean, J.-H., Crystallization kinetics and mechanism of low-dielectric, low-temperature, cofirable CaO− B 2 O 3 − SiO 2 glass-ceramics, J. Amer. Ceram. Soc., 1999, vol. 82, p. 1725.
  21. Chiang, C.-C., Wang, S.-F., Wang, Y.-R., and Wei, W.-C.J., Densification and microwave dielectric properties of CaO− B 2 O 3 − SiO 2 system glass–ceramics, Ceram. Intern., 2008, vol. 34, p. 599.
  22. Shao, H., Wang, T., and Zhang, Q., Preparation and properties of CaO–SiO2–B2O3 glass-ceramic at low temperature, J. Alloys Compd., 2009, vol. 484, p. 2.
  23. Zhu, H., Liu, M., Zhou, H., Li, L., and Lv, A., Study on properties of CaO-SiO2-B2O3 system glass-ceramic, Mater. Res. Bull., 2007, vol. 42, p. 1137.
  24. Rodríguez-López, S., Haanappel, V.A.C., Durán, A., Muñoz, F., Mather, G.C., Pascual, M.J., and Gross-Barsnick, S.M., Glass–ceramic seals in the system MgO−BaO− B 2 O 3 − SiO 2 operating under simulated SOFC conditions, Intern. J. Hydrogen Energy, 2016, vol. 41, p. 15335.
  25. Zhang, T., Fahrenholtz, W.G., Reis, S.T., and Brow, R.K., Borate volatility from SOFC sealing glasses, J. Amer. Ceram. Soc., 2008, vol. 91, p. 2564.
  26. Inoue, H., Aoki, N., and Yasui, I., Molecular dynamics simulation of the structure of borate glasses, J. Amer. Ceram. Soc., 1987, vol. 70, p. 622.
  27. Henderson, G.S., A Si K-edge EXAFS/XANES study of sodium silicate glasses, J. Non. Cryst. Solids, 1995, vol. 183, p. 43.
  28. Mastelaro, V.R., Zanotto, E.D., Lequeux, N., and Cortès, R., Relationship between short-range order and ease of nucleation in Na 2 Ca 2 Si 3 O 9 , CaSiO 3  and PbSiO 3 glasses, J. Non. Cryst. Solids, 2000, vol. 262, p. 191.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Рентгеновская дифрактограмма, полученная на закаленном из расплава герметике CaO–SiO2–B2O3.

Скачать (61KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы герметика после термообработки при 950°С.

Скачать (101KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Дилатометрическая кривая исследуемого нами герметика после выдержки при 950°С в течение 1 ч.

Скачать (75KB)
Метаданные
5. Рис. 4. СЭМ-изображения сборки сталь–герметик после обработки при 950°С в течение часа. Герметик состава 33 мол. % CaO, 21 мол. % B2O3, 46 мол. % SiO2 (а, б), коммерческий герметик Schott 394 (в).

Скачать (423KB)
Метаданные
6. Рис. 5. СЭМ-снимок области, на которой проводились ЭДРС-измерения.

Скачать (309KB)
Метаданные
7. Рис. 6. СЭМ-изображение интерфейса герметик–электролит на основе ZrO2 после склейки при 950°С.

Скачать (174KB)
Метаданные

Примечание

Публикуется по материалам IX Всероссийской конференции с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”, Черноголовка, 2022.


© Российская академия наук, 2024