Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/15217
Title: Alkaline-earth aluminosilicate-based glass and glass-ceramic sealants for functional applications
Other Titles: Selantes vítreos e vitrocerâmicos à base de aluminosilicatos alcalino-terrosos para aplicações funcionais
Author: Reddy, Allu Amarnath
Advisor: Ferreira, José Maria da Fonte
Tulyaganov, Dilshat Ubaydullayevich
Keywords: Ciência dos materiais
Vidros de silicato
Vidros cerâmicos
Células de combustível de óxidos sólidos
Vedantes
Defense Date: 2014
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: The planar design of solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one due to its easier fabrication, improved performance and relatively high power density. In planar SOFCs and other solid-electrolyte devices, gas-tight seals must be formed along the edges of each cell and between the stack and gas manifolds. Glass and glass-ceramic (GC), in particular alkaline-earth alumino silicate based glasses and GCs, are becoming the most promising materials for gas-tight sealing applications in SOFCs. Besides the development of new glass-based materials, new additional concepts are required to overcome the challenges being faced by the currently existing sealant technology. The present work deals with the development of glasses- and GCs-based materials to be used as a sealants for SOFCs and other electrochemical functional applications. In this pursuit, various glasses and GCs in the field of diopside crystalline materials have been synthesized and characterized by a wide array of techniques. All the glasses were prepared by melt-quenching technique while GCs were produced by sintering of glass powder compacts at the temperature ranges from 800−900 ºC for 1−1000 h. Furthermore, the influence of various ionic substitutions, especially SrO for CaO, and Ln2O3 (Ln=La, Nd, Gd, and Yb), for MgO + SiO2 in Al-containing diopside on the structure, sintering and crystallization behaviour of glasses and properties of resultant GCs has been investigated, in relevance with final application as sealants in SOFC. From the results obtained in the study of diopside-based glasses, a bilayered concept of GC sealant is proposed to overcome the challenges being faced by (SOFCs). The systems designated as Gd−0.3 (in mol%: 20.62MgO−18.05CaO−7.74SrO−46.40SiO2−1.29Al2O3 − 2.04 B2O3−3.87Gd2O3) and Sr−0.3 (in mol%: 24.54 MgO−14.73 CaO−7.36 SrO−0.55 BaO−47.73 SiO2−1.23 Al2O3−1.23 La2O3−1.79 B2O3−0.84 NiO) have been utilized to realize the bi-layer concept. Both GCs exhibit similar thermal properties, while differing in their amorphous fractions, revealed excellent thermal stability along a period of 1,000 h. They also bonded well to the metallic interconnect (Crofer22APU) and 8 mol% yttrium stabilized zirconium (8YSZ) ceramic electrolyte without forming undesirable interfacial layers at the joints of SOFC components and GC. Two separated layers composed of glasses (Gd−0.3 and Sr−0.3) were prepared and deposited onto interconnect materials using a tape casting approach. The bi-layered GC showed good wetting and bonding ability to Crofer22APU plate, suitable thermal expansion coefficient (9.7–11.1 × 10–6 K−1), mechanical reliability, high electrical resistivity, and strong adhesion to the SOFC componets. All these features confirm the good suitability of the investigated bi-layered sealant system for SOFC applications.
A concepção planar de células de combustível de óxido sólido (SOFC) é a mais promissora devido a sua fabricação mais fácil, um melhor desempenho e uma densidade de potência relativamente elevada. Nas SOFCs planares e outros dispositivos de electrólitos sólidos são necessárias vedações estanques ao gás ao longo das arestas de cada uma das células e entre os tubos de distribuição de gás e de pilha. Materiais vítreos e vitrocerâmicos (GC), em particular com composições baseadas em aluminosilicatos alcalino-terrosos, estão entre os materiais mais promissores para aplicações de vedação à prova de gás em SOFCs. Além do desenvolvimento de novos materiais à base de vidros e vitrocerâmicos, são também necessários novos conceitos para superar os desafios enfrentados pela tecnologia selante atualmente existente. O presente trabalho visa dar um contributo nesse sentido, propondo soluções de vedação para SOFCs e outras aplicações electroquímicas. Para o efeito, foram sintetizados vários vidros e GCs à base de diópsido, os quais foram caracterizados por recurso a uma grande variedade de técnicas. Todos os vidros foram preparados por fusão, enquanto os GCs foram produzidos por sinterização (tratamento térmico) de compactos de pó de vidro nas faixas de temperatura de 800 − 900 ºC por 1 − 1000 h. Além disso, foram estudados os efeitos de diversas substituições iónicas, especialmente de CaO por SrO, e de MgO + SiO2 por Ln2O3 (Ln = La, Nd, Gd, e Yb), em composições de aluminosilicatos à base de diópsido na estrutura, sinterização e cristalização dos vidros e nas propriedades dos GCs resultantes com particular relevância para as propriedades de vedação em SOFCs. Com base nos resultados obtidos neste estudo, foi possível propor um novo conceito de selante vritrocerâmico em bi-camadas que visa ultrapassar os desafios enfrentados pelos vedantes actualmente usados em SOFCs. Os sistemas designados por Gd−0,3 (em % molar: 20,62 MgO−18,05 CaO−7,74 SrO−46,40 SiO2−1,29 Al2O3−2,04 B2O3−3,87 Gd2O3) e Sr−0,3 (em % molar: 24,54 MgO−14,73 CaO−7,36 SrO−0,55 BaO−47,73 SiO2−1,23 Al2O3−1,23 La2O3−1,79 B2O3−0,84 NiO) foram seleccionados para realizar o conceito de bi-camada. Ambos os GCs exibem propriedades térmicas semelhantes, e excelente estabilidade térmica ao longo de um período de 1.000 horas, mas diferem nas suas fracções vítreas/cristalinas. Eles revelaram também elevada aptidão para se ligarem à interconexão metálica (Crofer22APU) e ao electrólito sólido (zircónia estabilizada com 8 mol% de ítria (8YSZ) sem a formação de camadas interfaciais indesejáveis entre os diferentes componentes das SOFCs. Duas camadas separadas compostas pelos vidros (Gd−0,3 e Sr−0.3) foram preparadas e depositadas sobre as interconexões metálicas através de uma abordagem tape casting. As bi-camadas vitrocerâmicas mostram boa capacidade de molhamento e ligação à placa Crofer22APU, coeficientes de expansão térmica adequados (9,7−11,1 × 10−6 K−1), confiabilidade mecânica, elevada resistividade eléctrica, e uma forte adesão aos componentes da SOFC. Todas estas características confirmam a boa adequação do sistema selante bi-camadas investigado para aplicações em SOFCs.
Description: Doutoramento em Ciência e Engenharia dos Materiais
URI: http://hdl.handle.net/10773/15217
Appears in Collections:DEMaC - Teses de doutoramento
UA - Dissertações de mestrado

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