燃料電池用新型封接玻璃的高溫穩(wěn)定性與失效模擬分析.pdf

1、燃料電池是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，因無需燃燒過程而具有清潔、高效的優(yōu)點(diǎn)，而且它擁有提供商用級電能的潛力。固體燃料電池(SOFC)主要有管狀和平板式兩種結(jié)構(gòu)，其中，平板式結(jié)構(gòu)組裝簡單而易用，且能提供更高的能量密度，但實(shí)際應(yīng)用中，該結(jié)構(gòu)需要使用良好的高溫封接技術(shù)來防止燃料氣體的滲漏，這對封接材料和封接工藝提出了很高的要求。因此，有必要研究封接材料的高溫穩(wěn)定性及封接可靠性來考察封接效果。
　　 SrO-Al2O3-SiO2-

2、B2O3玻璃(SASB)是一種新型SOFC封接材料，其高溫穩(wěn)定性尚待研究。在前人研究基礎(chǔ)上，本文采用傳統(tǒng)熔體冷卻技術(shù)制備合適組分玻璃，并利用差熱分析，X射線衍射分析及熱膨脹曲線估算粘度等方法研究該玻璃的高溫穩(wěn)定性能。根據(jù)析晶動力學(xué)理論，45SrO-5Al2O3-41SiO2-3La2O3-6B2O3玻璃的析晶活化能為271kJ/mol，與傳統(tǒng)的BaO-Al2O3-CaO-Si2O3封接玻璃相近，Avrami指數(shù)為3.1，表明晶相呈三維生

3、長狀態(tài)。SASB玻璃在SOFC工作溫度下長時間熱處理后轉(zhuǎn)變成含晶相56％以上的微晶玻璃，有助于增加SOFC的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性?；赩FT方程的計算結(jié)果表明，SASB玻璃的高溫流動性能較好滿足設(shè)計要求。綜合而論，該組分SASB玻璃適合在SOFC高溫環(huán)境下長期工作。
　　 本文的另一部分工作是運(yùn)用有限元方法對平板式固體燃料電池(p-SOFC)層疊結(jié)構(gòu)的進(jìn)行失效分析，詳細(xì)考察該結(jié)構(gòu)的兩種失效形式:基體開裂和界面剝離。首先對SOFC

4、層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論力學(xué)分析，粗略計算表明中間封接基體內(nèi)受到～45MPa的壓應(yīng)力。而后在有限元模型中，封接玻璃靠近自由面?zhèn)雀浇萌胍晃⒘鸭y，根據(jù)J積分理論計算出裂紋尖端的J積分值，即能量釋放率，由此可確定裂紋擴(kuò)展的敏感性。文中考察了封接溫度、封接厚度及熱膨脹匹配度等參數(shù)對微裂紋擴(kuò)展的影響，了解這些參數(shù)的影響有助于優(yōu)化電池組件的設(shè)計。模擬結(jié)果表明，玻璃基體在與鄰接組件封接后冷卻至室溫時最易開裂，基體微裂紋的能量釋放率與封接厚度線性正相關(guān)。另一