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中温固体氧化物燃料电池YSZ-玻璃复合密封材料的结构设计与性能研究

1.引言

1.1研究背景及意义

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）作为一种高效的能量转换装置，因其高能量转换效率、环境友好和燃料的多样性等优点，受到了广泛关注。在固体氧化物燃料电池中，密封材料是关键组件之一，它直接关系到电池的稳定性和寿命。目前，应用最广泛的密封材料是氧化钇稳定氧化锆（YSZ），但其较高的烧结温度和较差的密封性能限制了其在IT-SOFC中的应用。

本研究旨在开发一种新型的YSZ-玻璃复合密封材料，通过结构设计与性能优化，实现其在中温固体氧化物燃料电池中的应用。该研究不仅有助于解决现有YSZ密封材料的不足，也为提高IT-SOFC的整体性能提供了新的思路。

1.2国内外研究现状

目前，国内外研究者对固体氧化物燃料电池的密封材料已经进行了大量研究。其中，氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为传统的密封材料，由于其良好的热稳定性和化学稳定性，得到了广泛应用。然而，针对中温固体氧化物燃料电池，研究者发现单一的YSZ密封材料难以满足其工作环境的要求。

为了克服这一难题，国内外研究者开始探索YSZ复合密封材料。部分研究通过添加玻璃相来降低YSZ的烧结温度，提高其密封性能。尽管取得了一定的成果，但关于YSZ-玻璃复合密封材料的结构设计与性能优化仍需深入研究。

1.3研究目的与内容

本研究的目的在于设计一种适用于中温固体氧化物燃料电池的YSZ-玻璃复合密封材料，并研究其结构与性能之间的关系。研究内容包括：

分析YSZ和玻璃材料的性质，选择合适的原材料；

设计YSZ-玻璃复合密封材料的结构，确定合理的制备方法；

对制备的复合密封材料进行表征，并评价其在IT-SOFC中的性能；

分析复合密封材料的性能影响因素，为优化结构设计提供依据。

2.YSZ-玻璃复合密封材料的结构设计

2.1YSZ材料的性质与选择

氧化钇稳定氧化锆（YSZ）因其在高温下的优异离子导电性和稳定性被广泛用于固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质和密封材料。在结构设计过程中，首先考虑的是YSZ的晶体结构。YSZ属于立方晶系，具有较高的氧离子迁移率，这对提高电池的输出性能至关重要。选择YSZ作为复合密封材料的主要成分，是因为其在中温操作条件下（500-750℃）仍能保持良好的离子导电性。

此外，YSZ的热膨胀系数与常见的燃料电池阴极和阳极材料相匹配，有助于降低因热膨胀不匹配而引起的机械应力，提高密封效果和使用寿命。在选材时，还重点考虑了YSZ的化学稳定性和抗还原性，以确保在燃料电池运行环境下材料的长期稳定。

2.2玻璃材料的选择与优化

玻璃材料作为复合密封体系的一部分，其选择和优化对整体性能的影响至关重要。玻璃的加入旨在提高密封材料的韧性和降低其烧结温度。选用的玻璃应具有良好的热稳定性和与YSZ的相容性，以便在复合过程中形成均匀的微观结构。

优化过程中，对多种玻璃体系进行了筛选，主要考虑了以下因素：玻璃的软化点、热膨胀系数、与YSZ的化学亲和力以及玻璃转变温度。最终选定的玻璃体系应能提供良好的润湿性，促进与YSZ的混合，同时保持较低的热膨胀系数，以匹配YSZ和燃料电池其他组件。

2.3复合密封材料的结构设计原则

复合密封材料的结构设计遵循以下原则：

电导性与离子传输效率：确保复合材料的电导性满足中温SOFC的工作要求，同时离子传输效率要高，以减少极化损失。

热膨胀匹配性：复合材料的热膨胀系数应与燃料电池其他组件相匹配，以减少热循环过程中的应力累积。

机械强度与韧性：良好的机械强度保证密封材料在操作过程中的结构完整性，适当的韧性有助于抵抗热循环和机械振动带来的影响。

化学稳定性和耐久性：在燃料电池的操作条件下，复合材料应具备良好的化学稳定性和耐久性，以确保长期稳定运行。

微观结构均匀性：通过优化制备工艺，获得均匀微观结构的复合材料，有助于提高密封效果和电池性能。

根据这些原则，结合材料的物化性能和工艺条件，设计出满足中温固体氧化物燃料电池要求的YSZ-玻璃复合密封材料。

3.中温固体氧化物燃料电池的工作原理与性能评价

3.1工作原理

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）作为一种高效的能量转换装置，其工作原理基于氧离子与电子在固体电解质中的传递。在IT-SOFC中，YSZ（氧化钇稳定氧化锆）作为一种常用的电解质材料，因其较高的离子导电率和化学稳定性而受到青睐。在电池运行过程中，燃料（如氢气、甲烷等）在阳极发生氧化反应，释放出电子；同时，氧气在阴极发生还原反应，与来自阳极的电子结合生成氧离子。氧离子通过电解质YSZ层迁移至阳极，与燃料中的电子和离子结合，完成电化学反应，产生电能。

3.2性能评价方法

中温固体氧化物燃料电池的性能评价主要通过以下几个方面进行：

开路电压（OCV）:开