SOEC玻璃陶瓷密封件在水蒸气气氛中气密性研究

摘要

本文针对固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell,简称SOEC）在高温电解水过程中易受水蒸气腐蚀而造成组件间漏气、界面开裂并最终导致电解水效率降低的问题，研究了SOEC堆芯与界面密封用玻璃陶瓷密封件，即质量分数为20%的Al₂O₃复合质量分数为80%的H3玻璃（H3-20）,在水蒸气体积分数为50%～90%环境中，温度650～800℃范围内，通气压力由3.4 kPa增加至20.7 kPa时的气密性。通过分析水蒸气对H3-20玻璃陶瓷漏气率与微观结构的影响，结合H3-20玻璃陶瓷密封材料与金属连接体及单电池阳极侧的界面结合与元素扩散状态，确定此类玻璃陶瓷密封件在SOEC服役环境中的适用性。结果表明，H3-20玻璃陶瓷密封件在700℃,最大通气压力为20.7 kPa时，H3-20玻璃陶瓷密封件漏气率会随水蒸气含量的增多而出现明显下降趋势。其中，当水蒸气含量为90%时漏气率最大值为0.000 47 sccm·cm^-1,密封件表面受到水蒸气腐蚀而出现尺寸不一的孔洞，且孔洞随水蒸气含量的增加而逐渐减小。此外，当工作温度由650℃升高至800℃时，水蒸气含量为50%时，H3-20玻璃陶瓷密封件漏气率出现显著降低的趋势，仅为0.000 25 sccm·cm^-1,远低于国际标准0.04 sccm·cm^-1。再者，通过H3-20玻璃陶瓷密封件与单电池阳极侧及金属连接体侧界面微观结构及元素扩散结果可知，H3-20玻璃陶瓷密封件与相邻组件结合紧密，没有发生明显的腐蚀和元素扩散现象，具有优异的界面相容性。由以上研究结果可知，H3-20玻璃陶瓷密封件在不同比例水蒸气气氛下均具有优异的气密性，且与相邻组件结合紧密，具有优异的化学相容性，可以应用在SOEC电堆的堆芯与侧盖密封区域。

关键词

固体氧化物电解池 / 密封件 / 玻璃陶瓷 / 气密性 / 界面相容性