Właściwości termofizyczne lutów szklanych dla ogniw paliwowych typu IT-SOFC

• Autorzy: Pleśniak J. , Ciecińska M. , Środa M. , Marczyński M. , Rutkowski P. , Brylewski T.

Warianty tytułu

EN

Thermophysical properties of glass solders designed for application in intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs)

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem pracy było otrzymanie lutów szklanych na bazie szkieł krzemianowo-barowych oraz zbadanie ich właściwości termofizycznych w celu rozważenia zastosowania ich jako uszczelnienie w średniotemperaturowych, stałotlenkowych ogniwach paliwowych typu IT-SOFC (ang. intermediate-temperature solid oxide fuel cells) w układzie planarnym, przewidzianych do pracy w temperaturze 800 st. C. Przygotowano trzy zestawy szkieł o składach: SiO2-Bi2O3-Al2O3-BaO-MgO-CaO-La2O3 (zestaw 1), SiO2-Bi2O3-BaO-MgO-ZnO (zestaw 2) i SiO2-BaO-ZnO (zestaw 3) oraz złącze układu szkło/metal, w którym w charakterze metalicznego interkonektora zastosowano żaroodporną stal ferrytyczną gatunku Crofer 22 H. Ocenę przydatności szkieł przeprowadzono na podstawie szeregu badań fizykochemicznych, obejmujących: analizę termiczną z wykorzystaniem technik DTA/DSC, pomiary dylatometryczne liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej, analizę dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD), badania spektroskopowe w podczerwieni (FTIR) oraz badania topliwości próbek szkła na podłożach stalowym i z tlenku glinu przy pomocy wysokotemperaturowego mikroskopu grzewczego. Wykonano również obserwacje morfologiczne oraz analizę składu chemicznego złącza szkło/stal ferrytyczna, otrzymanego po utlenianiu w 800 st. C przez 200 godz. w powietrzu, przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) połączonej z dyspersją energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Wyniki tych badań wskazują, że spoiwo ze szkła zestawu 1 spełnia wymagania stawiane lutom szklanym dla planarnych stosów ogniw paliwowych typu IT-SOFC.

EN

The aim of the presented study was to obtain glass solders based on barium silicate glasses and to evaluate their thermophysical properties in view of their potential application as seal materials for planar-type intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) operating at 800 C. The materials prepared as a part of the investigation included three types of samples with compositions of SiO2-Bi2O3-Al2O3-BaO-MgO-CaO-La2O3 (set 1), SiO2-Bi2O3-BaO-MgO-ZnO (set 2) and SiO2-BaO-ZnO (set 3) as well as a glass/metal joint in which the heat-resistant Crofer 22 H ferritic steel was applied as the metallic interconnect. The suitability of the obtained glass was assessed based on a number of physicochemical investigations, including: thermal analysis conducted by means of DTA/DSC techniques, dilatometric measurements of linear coefficient of thermal expansion, X-ray diffraction analysis (XRD), infrared spectroscopy (FTIR), and study of the meltability of glass samples on substrates composed of either steel or aluminium oxide, performed by means of a high-temperature heating microscope. The performed research also involved morphological observations and analysis of the chemical composition of the glass/ferritic steel joint obtained after oxidation at 800 °C for 200 h in air, using scanning electron microscopy (SEM) combined with an X-ray energy dispersion (EDS). The results indicate that the sealant with the composition of the set 1 meets the requirements set for glass solders applied in planar-type IT-SOFC stacks.

Słowa kluczowe

PL

stałotlenkowe ogniwo paliwowe IT-SOFC; spoiwo szklane; szkło krzemianowo-barowe

EN

glass sealant; barium silicate glass; intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC)

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 70, nr 3
• Strony: 205--220
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pleśniak J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Ciecińska M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Środa M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Marczyński M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Rutkowski P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Brylewski T.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Kaur, G.: Solid Oxide Fuel Cell Components Interfacial Compatibility of SOFC Glass Seals, Springer International Publishing Switzerland, 2016.
• [2] Brylewski, T.: Metaliczne interkonektory w układzie metal/ceramika do zastosowania w ogniwach paliwowych SOFC, Ceramika/Ceramics, 107, Wyd. Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2008.
• [3] Molenda, J.: Wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe typu SOFC, Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, 2, (2007), 49-57.
• [4] Piela, P., Czerwiński, A.: Przegląd technologii ogniw paliwowych. Typy ogniw paliwowych, Biuletyn Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych, 3, (2008), 21-30.
• [5] Krauz, M.: Opracowanie technologii wytwarzania stałotlenkowych ogniw paliwowych, Praca doktorska, Kraków, 2008.
• [6] Vielstick, W., Lamm, A., Gasteiger, H. A.: Handbook of Fuel Cells; Fundamentals Technology and Applications, Wiley, UK, 2003.
• [7] Colson-Inam, S.: Solid Oxide Fuel Cells – Ready to market?, Fuel Cell Today, 1, (2004), 1.
• [8] Brylewski, T.: Metaliczny interkonektor jako istotny element ogniwa paliwowego ze stałym elektrolitem tlenkowym SOFC, Mater. Ceram. /Ceram. Mater./, 62, (2010), 3.
• [9] Singhal, S. C., Kendall, K.: High Temperature Solid Oxide Fuel Cells. Fundamentals, design and applications, Elsevier, 2003.
• [10] Zhu, W. Z., Deevi, S. C.: Development of interconnect materials for solid oxide fuel cells, Mater. Sci. Eng. A, 348, (2003), 227.
• [11] Molin, S., Kusz, B., Gazda, M., Jasiński, P.: Protective coatings for stainless steel for SOFC applications, J. Solid State Electrochem., 13, (2009), 1695.
• [12] Bastidas, D. M.: High temperature corrosion of metallic interconnects in solid oxide fuel cells, Revista de Metalurgia, 42, (2006), 425.
• [13] Hajimolana, S. A., Azlan Hussain, M., Ashri Wan Daud, W. M., Soroush, M., Shamiri, A.: Mathematical modeming of solix oxide fuel cells: A review, Renew. Sustain. Energy Rev., 15, (2011), 1893.
• [14] Kendall, K.: Progress in microtubular solid oxide fuel cells, Int. J. Appl. Ceram. Techn., 7, (2010), 1.
• [15] Laraminie, J., Dicks, A.: Fuel cells system explained, Oxford Brookes University, UK, University of Queensland, Australia, 2003.
• [16] Minh, N. Q.: Solid oxide fuel cell technology - features and applications, Solid State Ion., 174, (2004), 271.
• [17] Stoch, L., Ciecińska, M., Stoch, P.: Luty szklane dla wysokotemperaturowych tlenkowych ogniw paliwowych (SOFC), Mater. Ceram. /Ceram. Mater./, 62, (2010), 608.
• [18] Chou, Y. S., Stevenson, J. W., Chick, L. A.: Ultra-low leak rate of hybrid compressive mica seals for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 112, (2002), 130.
• [19] Chou, Y. S., Stevenson, J. W., Gow, R. N.: Novel alkaline earth silicate sealing glass for SOFC: Part I. The effect of nickel oxide on the thermal and mechanical properties, J. Power Sources, 168, (2007), 426.
• [20] Chou, Y. S., Stevenson, J. W., Singh, P.: Novel refractory alkaline earth silicate sealing glasses for planar solid oxide fuel cells, J. Electrochem. Soc., 154, (2007), B644.
• [21] Ediger, M. D., Angell, C. A., Nagel, S. R.: Supercooled liquids and glasses, J. Phys. Chem., 100, (1996), 13200.
• [22] Fergus, J. W.: Sealants for solid oxide fuel cells, J. Power Sources, 147, (2005), 46.
• [23] Frieser, R. G.: A review of solder glasses, Electrocomponent Sci. Techn., 2, (1975), 163.
• [24] ThyssenKrupp Stainless Company, Crofer 22H, Preliminary Material Data Sheet No. 4050, 2008.
• [25] Ashby, M. F.: Overview No. 80: On the engineering properties of materials, Acta Metall., 37, (1989), 1273.
• [26] Handke, M., Mozgawa, W.: Vibrational spectroscopy of the amorphous silicates, Vibr. Spectrosc., 5, (1993), 75.
• [27] Stoch, L., Środa, M.: Infrared spectroscopy in the investigation of oxide glasses structure, J. Mol. Struct., 511-512, (1999), 77.
• [28] Stoch, L., Wacławska, I., Środa, M.: DTA/DSC study of nanocrystallization in oxyfluoride glasses, J. Thermal Anal. Calorim., 77, (2004), 57.