بررسی نشتی و میانکنش شیمیایی درزگیرهای شیشه-سرامیک متعلق به سیستم BaO-B2O3-SiO2 با آلیاژ اتصال دهنده AISI430
محورهای موضوعی : سرامیک ها و مواد نسوز
1 - استادیار، گروه مکانیک ، واحد مرند، دانشگاه آزاد اسلامی، مرند، ایران
کلید واژه: مواد درزگیر, شیشه-سرامیک, نشتی, میانکنش شیمیایی, پیل سوختی اکسید جامد,
چکیده مقاله :
در این پژوهش سرعت نشتی و میانکنش شیمیایی ترکیبات متعلق به سه مثلث ترکیبی متفاوت از سیستم BaO-B2O3-SiO2 با نسبت مولی B2O3/SiO2 ثابت و فواصل نسبت مولی یکسان BaO/SiO2، با آلیاژ AISI430 یه منظور کاربرد در پیلهای سوختی اکسید جامد، مورد بررسی قرار گرفت. بررسی رفتار تغییر فرم نمونه‌ها در دمای آب‌بندی در طی زمان نشان داد که تغییر فرم قابل‌توجهی در ترکیبات در طی زمان 2 ساعت اتفاق نیفتاد. نشتی نمونه های ساندویجی سه لایه الکترولیت/ شیشه آب‌بند/ آلیاژ اتصال‌دهنده به کمک دستگاه نشت‌یاب هلیمی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که ترکیب دارای 32 درصد اکسید باریم (Ba32) نشتی محسوسی نداشت. سرعت نشتی نمونه های Ba37 در محدوده قابل قبول برای آب‌بندهای پیل سوختی اکسید جامد (Pa.m3/s 7-10-8-10) بود. نشتی نمونه‌های Ba42 نیز در محدوده نشتی بسیار زیاد (Pa.m3/s 3-10-4-10) قرارداشت. در مرحله بعد میانکنش احتمالی بین شیشه و آلیاژ اتصال‌دهنده بعد از عملیت نهایی آب‌بندی و نگهداری در دمای کاری به مدت 100 ساعت به‌کمک تکنیک آنالیز نقطه‌ای و خطی دستگاه SEM بررسی شد. شیشه- سرامیک‌های Ba32 و Ba37 به‌خوبی به آلیاژ اتصال دهنده AISI430 اتصال یافتند و هیچ نوع فاصله یا فضای خالی حتی در لبه‌های اتصال مشاهده نشد. فصل مشترک اتصال هموار و عاری از هرگونه عیب بود و در طی ماندگاری در دمای C°800 به‌مدت 100 ساعت نیز واکنش تخریب کننده‌ای اتفاق نیفتاد.
In the present work, adhesion, leak rate and chemical compatibility of a series of borosilicate-based glasses, belong to ternary BaO–SiO2–B2O3 system, with AISI 430 alloys as interconnect were investigated for solid oxide fuel cell applications. Deformation behaviors of selected glasses at sealing temprature with time were characterized. Significant deformation was not appeared in the samples overtime at sealing temperature. In the next step, the leakage tests of AISI430/glass-ceramics couples were performed. Glass containing 32 % molar BaO (Ba32) had no gas leakage; a low leak rate of 10-7 to 10-8 Pam3s-1 was obtained for the glass with 37 % molar BaO (Ba37) and big leak of the system (10-3 to 10-4 Pam3s-1) for Ba42. Possible interfacial reactions between the as-received glass and cell ingredients and aging up to 100 h were also studied by scanning electron microscopy in conjunction with energy-dispersive X-ray spectroscopy and X-ray dot mapping. The results showed the Ba32 and Ba37 glasses coupled with AISI430 had fine adhesion, remained stable under these conditions and were compatible with the interconnect. So, the use of these glass-ceramics will be successful in joining the ceramic electrolytes to the metallic interconnect.
[1] N. Q. Minh, “Ceramic Fuel Cells”, Journal of American Ceramic Society, Vol. 76, pp. 563-588, 1993.
[2] P. A. Lessing, “A Review of Sealing Technologies Applicable To Solid Oxide Electrolysis Cells”, Journal of Materials Science, Vol. 42, pp. 3465-3476, 2007.
[3] ل. رضازاده، ز. همنبرد و ا. نوزاد، "اتصال دهنده های مورد استفاده در توده پیل سوختی اکسید جامد، انواع و خواص"، در دومین همایش ملی انرژی، سوخت و محیط زیست، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، اردیبهشت 1389.
[4] J. W. Stevenson, S. C. Singhal & P. Singh, “The Secrets of SOFC Success”, The Fuel Cell Review, Vol. 2, pp. 15-21, 2005.
[5] J. W. Fergus, “Sealants for Solid Oxide Fuel Cells”, Journal of Power Sources, Vol. 147, pp. 46-57, 2005.
[6] K. S. Weil, “The State-of-the-Art in Sealing Technology for Solid Oxide Fuel Cells”, JOM, August, pp. 37- 44, 2006.
[7] W. Holand & G. Beall, “Glass–Ceramics Technology”, the American Ceramic Society, OH.Westerville, 2002.
[8] G. Kaur, O. P. Pandey & K. Singh, “Interfacial study between high temperature SiO2-B2O3-AO- La2O3 (A = Sr, Ba) glass seals and Crofer 22APU for solid oxide fuel cell applications”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, pp. 6862-6874, 2012.
[9] K. D. Meinhardt, D. S. Kim, Y. S. Chou & K. S. Weil, “Synthesis and properties of a barium aluminosilicate solid oxide fuel cell glass–ceramic sealant”, Journal of Power Sources, Vol. 182, pp. 188-196, 2008.
[10] P. Batfalsky, V. A. C. Haanappel, J. Malzbender, N. H. Menzler, V. Shemet, I. C. Vinke & R. W. Steinbrech, “Chemical interaction between glasse ceramic sealant and interconnect steels in SOFC stacks”, Journal of Power Sources, Vol. 155, pp. 128 -137, 2006.
[11] S. T. Reis, R. K.Brow, T. Zhang & P. Jasinski, “Properties of Glass-Ceramic for Solid Oxide Fuel Cells”, in: N.P.Bansa (Ed.) Advances in Solid Oxide Fuel Cells II, A John Wiley & Sons, U.S., 2007.
[12] ل. رضازاده، ز. همنبرد، س. باغشاهی و ا. نوزاد، "بررسی ویژگیهای درزگیرهای شیشه- سرامیک متعلق به سیستم BaO-B2O3-SiO2 مورد کاربرد در پیلهای سوختی اکسید جامد"، فصلنامه علمی- پژوهشی فرایندهای نوین در مهندسی مواد، سال هشتم، صفحه 53-63، 1393.
[13] W. D. Kingery, H. K. Bowen & D. R. Uhlmann, “Introduction to Ceramics”, John Wiley and Sons, Inc., 1976.
[14] Mc. Millan, “The glass phase in glass-ceramics”, Glass Thechnology, Vol. 15, pp. 5-15, 1975.
[15] T. Jin & K. Lu, “Compatibility between AISI441 alloy interconnect and representative seal glasses in solid oxide fuel/electrolyzer cells”, Journal of Power Sources, Vol. 195, pp. 4853–4864, 2010.
[16] P. Batfalsky, V. A. C. Haanappel, J. Malzbender, N. H. Menzler, V. Shemet, I. C. Vinke & R. W. Steinbrech, “Chemical interaction between glass–ceramic sealants and interconnect steels in SOFC stacks”, Journal of Power Sources, Vol. 155, pp. 128-137, 2006.
[17] S. Ghosh, D. Sharma, A. K. M. padhyay, P. Kundu & R. N. Basu, “Effect of BaO addition on magnesium lanthanum alumino borosilicate-based glass-ceramic sealant for anode-supported solid oxide fuel cell”, international journal of hydrogen energy, Vol. 35, pp. 272-283, 2010.
[18] S. Ghosh, A. D.Sharma, P. Kundu & R. N. Basu, “Glass-Ceramic sealants for planar IT-SOFC: a bilayered approach for joining electrolyte and metallic interconnect”, Journal of Electrochemical Society, Vol. 155B, pp. 473-478, 2008.
[19] L. Peng & Q. Zhu, “Thermal cycle stability of BaO–B2O3-SiO2 sealing glass”, Journal of Power Sources, Vol. 194, pp. 880-885, 2
[20] Z. Yang, J. W. Stevenson & K. D. Meinhardt, “Chemical interactions of barium–calcium– aluminosilicate-based sealing glasses with oxidation resistant alloys”, Solid State Ionics, Vol. 160, pp. 213 – 225, 2003.
[21] H. Khedim, H. Nonnet & F. O. Méar, “Development and characterization of glass-ceramic sealants in the (CaO-Al2O3-SiO2-B2O3) system for Solid Oxide Electrolyzer Cells”, Journal of Power Sources, Vol. 216, pp. 227-236, 2012.
_||_