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能轉化為電能的裝置，因無需燃燒過程而具有清潔、高效的優(yōu)點，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構，其中，平板式結構組裝簡單而易用，且能提供更高的能量密度，但實際應用中，該結構需要使用良好的高溫封接技術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。在前人研究基礎上，本文采用傳統(tǒng)熔體冷卻技術制備合適組分玻璃，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變成含晶相56％以上的微晶玻璃，有助于增加SOFC的機械強度和化學穩(wěn)定性?；赩FT方程的計算結果表明，SASB玻璃的高溫流動性能較好滿足設計要求。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用有限元方法對平板式固體燃料電池(p-SOFC)層疊結構的進行失效分析，詳細考察該結構的兩種失效形式:基體開裂和界面剝離。首先對SOFC

4、層疊結構進行理論力學分析，粗略計算表明中間封接基體內(nèi)受到～45MPa的壓應力。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)化電池組件的設計。模擬結果表明，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。另一