[發(fā)明專利]一種含Nb2O5封接玻璃及其制備和使用方法

有效

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• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103274601A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設計）人: 張騰;陳嘉琳;陳順潤;方麗花;唐電
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學
• 主分類號: C03C8/24
• 分類號: C03C8/24
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池領域，具體涉及一種含Nb₂O₅封接玻璃及其制備和使用方法。?

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池（SOFC）采用固體氧化物（陶瓷）電解質(zhì)，在高溫下運行，具有發(fā)電效率高，材料成本低，能兼容各種燃料（如甲烷、煤氣、甲醇、酒精、石油液化氣等）等優(yōu)點。但是開發(fā)SOFC所面臨的主要問題是在高溫下燃料氣和氧化氣如何進行有效的隔絕與封接。由于電池的工作溫度高（700～750℃），選擇合適的封接材料和封接技術(shù)成為制約平板式SOFC發(fā)展的關鍵。為解決封接材料與含Cr不銹鋼的封接失效問題，國內(nèi)外研究者采用了：①對含Cr合金連接體進行預氧化，以減少封接材料與含Cr合金的界面反應；②對含Cr合金連接體涂覆保護層，以限制Cr的擴散；③通過改進玻璃的配方控制界面反應，如美國Sandia國家實驗室的Loehman還嘗試向玻璃基體添加飽和濃度的Cr₂O₃以抑制Cr的擴散；④利用堿金屬氧化物（如Na₂O和K₂O）取代易發(fā)生反應的堿土金屬氧化物等方法，但以上方法均未能圓滿解決界面反應導致的封接失效問題。

針對封接材料與其他元件間由于熱膨脹系數(shù)失配（如封接玻璃11~13×10^-6/K，含鉻不銹鋼合金連接體~13×10^-6/K）導致熱應力的產(chǎn)生，進而誘發(fā)裂紋的萌生和擴展，以致封接最終失效的缺陷，國內(nèi)外研究投入大量精力開發(fā)在高溫下能夠長期維持玻璃態(tài)的自愈合封接材料，試圖通過玻璃相的粘滯性流動釋放封接界面積累的熱應力。然而，用于改善封接玻璃粘度的網(wǎng)絡配體離子（如IIA族）與含Cr合金連接體在SOFC工作溫度下容易發(fā)生反應，生成如BaCrO₄、SrCrO₄和CaCrO₄等具有極高熱膨脹系數(shù)（18~20×10^-6/K）的產(chǎn)物，再次造成與封接界面其他元件的熱膨脹系數(shù)失配，破壞封接結(jié)合力，嚴重制約封接材料和SOFC的使用壽命，尤其是在熱循環(huán)過程的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種含Nb₂O₅封接玻璃及其制備和使用方法，通過添加適當含量的Nb₂O₅，可使材料的化學穩(wěn)定性進一步提高。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實施的：

一種含Nb₂O₅封接玻璃的原料組成為B₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、MO（MgO、CaO、SrO、BaO中的一種或幾種的混合物）和Nb₂O₅，其摩爾比為0~10：0~5：25~60：20~50：5~30。

制備如上所述的含Nb₂O₅封接玻璃的方法包括以下步驟：

（1）將原料混合均勻；經(jīng)過1400-1600℃熔制，保溫時間2-4小時；對熔制好的玻璃液倒入去離子水中，進行急冷，獲得玻璃熔塊；然后，將玻璃熔塊粉碎，研磨或者球磨，過篩后獲得玻璃粉末；?

（2）將玻璃粉末與粘結(jié)劑、分散劑和溶劑混合成漿料，在球磨機中球磨均勻分散；流延成型，自然干燥，然后裁剪成所需形狀的胚體，制成玻璃封接材料。

所述步驟（2）的粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂、甲基纖維素、聚乙烯醇縮丁醛，聚乙烯醇中的一種或幾種的混合物。

所述步驟（2）的分散劑為魚油、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一種或幾種的混合物。

所述步驟（2）的溶劑為水、乙醇、異丙醇、正丁醇、甲苯、二甲苯、丙酮中的一種或幾種的混合物。

將玻璃封接材料置于待封接部位，在電爐中以1-5℃/min的速率升溫，400-500℃保溫0.5-2小時，然后以1-5℃/min的速率升溫至750-850℃保溫處理0.5-2小時，即完成封接。

本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：

（1）本發(fā)明由于加入Nb₂O₅有效地抑制含Cr不銹鋼合金連接極中Cr離子向封接材料的擴散，顯著提高封接玻璃的化學穩(wěn)定性；