Calcium-borosilicate glass-ceramic as a sealant for SOFC

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The paper reports study of the applicability of calcium-borosilicate glass-ceramics with high boron oxide content as a sealant for solid oxide fuel cells. Chemical composition of the studied materials was 33 mol% CaO, 21 mol% B2O3, 46 mol% SiO2. The material was studied as an alternative to existing sealants on the base of calcium and barium aluminosilicates, because of the limited adhesion of the latter to steel interconnects in fuel cells. The study has shown that the studied sealant has a softening point of about 920–930°C, which allows one to use for sealing of fuel cells at 925°C. Use of relatively low sealing temperature allows one to avoid overheating of the cell during sealing and to avoid accompanying degradation of the service properties. The studied sealant has demonstrated excellent adhesion to surface of interconnect materials (Crofer 22 APU steel). Furthermore, the studied sealant was found to be thermomechanically compatible with Crofer 22 APU steel and ZrO2-based electrolytes.

全文:

受限制的访问

作者简介

A. Zhigachev

ISSP RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: zhigachev@issp.ac.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

S. Bredikhin

ISSP RAS

Email: zhigachev@issp.ac.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

E. Agarkova

ISSP RAS

Email: stepanova.ea@issp.ac.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

D. Matveev

ISSP RAS

Email: zhigachev@issp.ac.ru
俄罗斯联邦, Chernogolovka

参考

  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.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. X-ray diffraction pattern obtained on a CaO–SiO2–B2O3 sealant quenched from the melt.

下载 (61KB)
索引源数据
3. Fig. 2. X-ray diffraction patterns of the sealant after heat treatment at 950°C.

下载 (101KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Dilatometric curve of the sealant we studied after exposure to 950°C for 1 hour.

下载 (75KB)
索引源数据
5. Fig. 4. SEM images of the steel-sealant assembly after treatment at 950°C for one hour. Sealant composition: 33 mol.% CaO, 21 mol.% B2O3, 46 mol.% SiO2 (a, b), commercial sealant Schott 394 (c).

下载 (423KB)
索引源数据
6. Fig. 5. SEM image of the area where EDX measurements were carried out.

下载 (309KB)
索引源数据
7. Fig. 6. SEM image of the sealant–ZrO2-based electrolyte interface after bonding at 950°C.

下载 (174KB)
索引源数据

注意

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


版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».