固/液相等离子喷涂制备固体氧化物燃料电池复合电极

摘要

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种直接将化学能转化为电能的能源转化装置，具有能源利用效率高，环境友好等特点受到世界各国广泛关注。目前SOFC的主要研究在于降低其工作温度，其中电解质薄膜化是主要途径。由于粉末粒径在10~100μm，大气等离子喷涂（Atmospheric Plasma Spray，APS）难以喷涂薄的（<30μm）组织精细的涂层，因此发展了悬浮液等离子喷涂（Suspension Plasma Spray，SPS）。悬浮液等离子喷涂将微米级颗粒的悬浮液送入等离子射流中心，制备组织精细、致密的涂层，能够有效降低电池工作温度。
　　 本文提出并研究以硅片为基体，采用固/液相等离子喷涂工艺制备固体氧化物燃料电池复合电极，即依次固相送料喷涂阳极、悬浮液束流送料喷涂电解质、固相送料喷涂阴极。主要研究内容包含以下5个方面：
　　 1）研究配置高度分散的、稳定的悬浮液。高度分散的悬浮液既可以防止喷嘴堵塞，也保证了电解质涂层的均匀性。YSZ悬浮液的配置参数包含：PH值、分散剂类型和用量、悬浮液浓度等，通过对不同配比的悬浮液进行沉淀量测试和流变性能测试，确定了悬浮液的最优配比：水作为溶剂，YSZ固含量为20(wt％)，PAA作为阴离子分散剂含量为0.39(wt％)（对溶质质量）氨水调节pH值，pH值为10；
　　 2）研究液料注射方式，相关参数及束流注射对等离子射流形态的影响。用CCD实时监测悬浮液束流与等离子射流形态，分析了影响液滴与射流形态的参数，包含喷嘴孔径，注射气压、喷涂功率等，结果表明在单流体喷嘴孔径为0.3mm，喷涂电流600A，喷涂功率为33Kw的条件下，注射气压为0.25MPa时射流形态最佳；
　　 3）研究喷涂距离对悬浮液等离子喷涂电解质涂层形貌及沉积效率的影响。结果表明喷涂距离是影响电解质涂层形貌、沉积效率和孔隙率的关键参数。喷涂电流600A，功率33Kw的条件下喷涂距离为60mm时有较高的沉积效率（0.25μm /道）；
　　 4）研究了提高阳极层和阴极层孔隙方案的措施，即通过改变喷涂角度、提高喷涂扫描速度和添加造孔剂三个方面提高孔隙。实验结果表明，采用改进措施前后的阳极层的孔隙率分别约为19.4和28.7％，阴极层的孔隙率分别约为20.3％和32.6％.
　　 5）用扫描电镜和能谱分析对复合电极微观组织和成分进行了分析。结果表明：阳极层、电解质层和阴极层的平均厚度分别约为20、25、40μm，悬浮液束流送料等离子喷涂可以制备薄的（25μm）、组织粒度精细（2~4μm）的电解质涂层，孔隙率约为2.15％。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 固/液相等离子喷涂的系统构成和基本原理

3 SOFC复合电极固/液相等离子喷涂用材料的制备

4 SOFC复合电极的固/液相等离子喷涂工艺研究

5 总结与展望

致 谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士论文期间发表的论文