等离子喷涂制造SOFC关键部件PEN的技术基础研究

摘要

在跨入二十一世纪之际，如何在有限资源和环保严格要求的制约下发展经济已成为全球最重要的战略话题。随着一次性能源，例如煤、石油等储量的日益减少和环境的日趋恶化，人们迫切希望获得一种高效率、低污染的能源。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种新型的发电方式，具有燃料的适应性强、燃料可以在电池内部重整、无须使用贵金属电极、积木性强、规模和安装地点灵活等一系列优点，因而成为燃料电池领域的研究热点。 目前，SOFC商业化运行存在的主要问题是制造成本太高，功率与体积难兼顾。三合一电极PEN（Positive-Electrolyte-Negative）是SOFC的关键部件。等离子喷涂是一种高效、快速、低成本的制造方法，受到高度关注。因此，本文开展基于快速原型的等离子喷涂工艺制造立体复杂式SOFC关键部件PEN的研究，将对我国能源和可持续发展战略具有非常重要的社会意义与实际经济价值。围绕上述问题，本论文主要开展了以下几个方面的研究工作。 结合快速原型制造技术，利用等离子喷涂工艺在制造大尺寸、复杂形状PEN上的技术优势，在探索研究一维平板式PEN制造工艺、电性能等的基础上，本文提出利用快速原型制造技术、等离子喷涂及机器人数字化成形相结合的方法制造了二维瓦楞式、三维MOLB式PEN，并分析了等离子熔射成形工艺参数对成形性的影响，对复合电极显微组织结构进行了表征与分析。 利用SEM和XRD等分析手段对平板式PEN进行了研究，结果表明，等离子喷涂制造的PEN可以达到电解质层致密、电极多孔的结构要求，并且喷涂前后电极的化学成份未发生改变，说明等离子喷涂工艺适合制造SOFC三合一电极PEN。利用交流复阻抗技术分析了平板式PEN的电性能，结果表明，温度升高，总电阻、晶粒和晶界电阻都减小，电导率增大；同一极化电压下，温度升高，电阻减小，电导率增大，这些变化规律与经典的Arrhenius公式是一致的。与流延法相比，在相同的温度条件下，等离子喷涂工艺对减小复合电极的电阻更有利。 对二维瓦楞式PEN进行了设计与研究，分析了等离子熔射成形工艺参数对成形性的影响；初步设计并制造了一种三维MOLB式PEN，其阳极、电解质和阴极的平均厚度分别为0.5㎜、20μm和180μm；对于复杂形状PEN的喷涂成形过程，必须选择合理的工艺参数、熔射路径以及相关的工艺条件，从而保证皮膜具有良好的成形性、电解质和电极涂层厚度分布具有较好的均匀性以及得到符合电极结构要求的孔隙率。