[发明专利]一种Ce和Y共掺杂改性的封接微晶玻璃

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种Ce和Y共掺杂改性的封接微晶玻璃。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）采用固体氧化物（陶瓷）电解质，在高温下运行，具有发电效率高，材料成本低，能兼容各种燃料（如甲烷、煤气、甲醇、酒精、石油液化气等）等优点。但是开发SOFC所面临的主要问题是在高温下燃料气和氧化气如何进行有效的隔绝与封接。由于电池的工作温度高（700～750°C），选择合适的封接材料和封接技术成为制约平板式SOFC发展的关键。固体氧化物燃料电池的主要优势是能量转化率高，然而封接材料的绝缘性不足就容易产生漏电现象，不仅会降低燃料电池的能量转化效率；而且大型燃料转换装置漏电易造成安全隐患；再次，绝缘性不足会严重减低燃料电池的使用寿命。特别是高温运行条件下，封接玻璃的离子扩散加速，对封接微晶玻璃的绝缘性以及高温化学稳定性提出更高的要求。此外，降低封接温度是避免SOFC其他部件高温损坏的主要途径。近年来，少量添加CeO₂等稀土氧化物（<5 mole%）已被证实能够降低封接温度（Ceramics International, (39)2013, 5553-5559）。然而，本课题组的近期工作发现，添加少量CeO₂的封接玻璃在SOFC运行环境会析出CeO₂甚至Ce₂O₃等导电相，显著破坏封接微晶玻璃的绝缘性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ce和Y共掺杂改性的封接微晶玻璃，通过添加高浓度的Ce和Y对微晶玻璃进行改性。通过发挥二者的协调作用，显著改善封接微晶玻璃的高温绝缘性和高温化学稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种Ce和Y共掺杂改性的封接微晶玻璃，原料组成按摩尔百分数计为B₂O₃ 0~10%、Al₂O₃ 0~10%、SiO₂ 30~40%、MO 20~40%和RO 15~40%，其摩尔百分数之和为100%；其中MO为MgO、CaO、SrO、BaO中的一种或几种，RO为CeO₂和Y₂O₃。

制备方法包括以下步骤：

（1）将原料混合均匀；经过1300-1500℃熔制，保温时间1-4小时；对熔制好的玻璃液，进行急冷，获得玻璃熔块；然后，将玻璃熔块粉碎，研磨或者球磨，过筛后获得玻璃粉末；

（2）将玻璃粉末与粘结剂、分散剂和溶剂混合成浆料，球磨使之均匀分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形状的胚体，制成玻璃封接材料。

步骤（2）中所述的粘结剂为环氧树脂、甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇中的一种或几种。

步骤（2）中所述的分散剂为鱼油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一种或几种。

步骤（2）中所述的溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮中的一种或几种。

使用方法：将玻璃封接材料置于待封接部位，在电炉中以1-5℃/min的速率升温，400-500℃保温0.5-2小时，然后以1-5℃/min的速率升温至650-750℃晶化处理0.5-2小时，即完成封接。

本发明的显著优点在于：

（1）本发明通过逆性玻璃的设计，获得具有高浓度Ce和Y的封接玻璃（>15 mole%），通过发挥二者的协调作用，显著增强玻璃的网络结构，从而有效提高其绝缘性；

（2）Ce和Y二者的协调作用，能够促进Ce³⁺→Ce⁴⁺的转变，不仅能够避免Ce₂O₃导电相的形成，显著提高封接微晶玻璃的绝缘性；同时，Ce³⁺→Ce⁴⁺的转变也能够消耗封接结构中的氧气，抑制封接玻璃与合金连接体的有害反应，提高其高温化学稳定性；

（3）Ce和Y二者的协调作用还能够显著降低封接玻璃与SOFC其他部件的界面张力，从而有效降低封接温度，避免高温封接过程对其他部件的损坏；

（4）本发明选择的制备原料简单，易得，工艺稳定。选用相应的氧化物为源物质，成本低，工艺简单、可行，达到了实用化和工业化的条件。

附图说明