采用冷喷涂技术制备固体氧化物燃料电池SSC阴极的方法

摘要

本发明具体涉及一种采用冷喷涂技术制备固体氧化物燃料电池SSC阴极的方法，属于固体氧化物燃料电池领域。将直径为25-45μm，预热温度为300-600℃的Sm0.5Sr0.5CoO3粉体，在一定压力下通过冷喷涂设备，喷涂到GDC基板上，冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。由于冷喷涂不同于热喷涂，其在喷涂过程中喷涂的粒子温度很低，发生相变的驱动力较小，固体粒子晶粒不易长大，氧化现象很难发生，另外，在喷涂过程中具有一定的孔隙率，因此，采用此技术制备固体氧化物燃料电池的阴极，尤其制备类似于SSC这样在高温分解的阴极材料，可以避免其发生分解，能够获得质量较好的三相区，提高固体氧化物燃料电池的性能。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种采用冷喷涂技术制备固体氧化物燃料电池SSC阴极的方法，属于固体氧化物燃料电池领域。

背景技术

随着科技的发展，以及节能减排的需要，采用新能源或能源转化效率高排放少的新技术成为解决此类问题的最好方法，固体氧化物燃料电池是在此背景下人们开发的新型能源转化技术，它是一种将化学能直接转化成电能的全固态电化学发电装置，具有环境友好、能量转换效率高和燃料适应广泛等优点，因此，对固体氧化物燃料电池的研究和探索，对人类的可持续发展具有重要的意义。

在固体氧化物燃料电池的构成中，阴极由于具有吸附氧的能力和解离氧的性能，必须具有多孔性，从而允许反应气体容易扩散到三相界面，并增大催化反应表面，电池的性能在某种意义上取决于阴极的性能，因此它在整个系统中具有非常重要的作用。

Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)作为一类有潜力、新型的阴极材料，在燃料电池系统中，由于其在中、低温的使用中具有高性能，因此得到了广泛的关注，在未来的应用中将会扮演重要的角色，所以对Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)的研究成为固体氧化物电池的研究热点，由于其在高温下容易发生分解，因此，SSC材料在制备时的稳定性是人们关注的热点。

冷喷涂是一种新型的喷涂技术，它是将具有一定温度的超声加速的固体颗粒，撞击到镀件表面，使其动能转变为热能，从而完成涂层的制备。该法喷涂温度较低，发生相变的驱动力较小，固体粒子晶粒不易长大，氧化现象很难发生，因此是一种在低温下制备涂层的新技术。

由于冷喷涂技术在制备涂层的过程中具有喷涂温度较低、固体颗粒不长大等特点，因此，采用冷喷涂技术制备固体氧化物燃料电池的阴极，能够获得质量较好的三相区，而且可以避免高温下制备涂层的分解和氧化等问题，以期拓宽固体氧化物燃料电池的制备方法，提高固体氧化物燃料电池的性能。

发明内容

本发明涉及一种新型的固体氧化物燃料电池阴极制备方法，该法具有使用原材料广泛，加工方便、制备时温度低、耐冲击、强度高等特点，并且所制备的涂层机械性能较好，广泛适合用于燃料电池的制备。

本发明采用的技术方案为：

将直径为25-45μm，预热温度为300-600℃的Sm_0.5Sr_0.5CoO₃粉体，在2.0-3.0MPa压力下通过冷喷涂设备，使其出喷嘴时速度达到500-800m/s，喷嘴与GDC基板间的喷涂距离为15-35mm。

所述GDC基板在喷涂时温度控制在200-500℃。

本发明的优点为：利用冷喷涂技术制备固体氧化物燃料电池的阴极，通过制定合理的工艺参数，在GDC电解质上喷涂SSC阴极材料，使之成为SSC-GDC-Ni-YSZ结构的单电池，并可根据具体需要选择合适的厚度，利用不同的工艺调整涂层，以达到工业用要求。由于冷喷涂不同于热喷涂，其在喷涂过程中喷涂的粒子温度很低，发生相变的驱动力较小，固体粒子晶粒不易长大，氧化现象很难发生，另外，在喷涂过程中具有一定的孔隙率，因此，采用此技术制备固体氧化物燃料电池的阴极，尤其制备类似于SSC这样在高温分解的阴极材料，可以避免其发生分解，能够获得质量较好的三相区，提高固体氧化物燃料电池的性能，该方法制备的阴极具有良好的效果。

试验和分析证明：采用等离子喷涂或热喷涂等方法制备的SSC阴极，因其加热温度超过800℃，会发生分解，经Raman检测，可发现分解成Co₃O₄等，导致SSC阴极的性能改变甚至失效，但采用冷喷涂技术制备的SSC阴极，因其加热温度低于800℃或700℃，SSC不会发生分解，保证了其性能的稳定。由于喷涂颗粒和基板有一定的预热温度(不高于600℃)，因此能够保证所制备的SSC阴极的结合强度和晶粒度等，在3GPa的压力下，使其达到800m/s的速度，涂层的晶粒度很小，大约为7-25μm。本发明创造性的使用冷喷涂设备，制备SSC阴极使其能够保证性能稳定，同时又能满足固体氧化物燃料电池对阴极的要求。

具体实施方式

本发明提供了一种制备固体氧化物燃料电池阴极的方法，下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

实施例1：

将成分为Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)、粒度为25μm的粉体，在预热温度为300℃的条件下，于3MPa压缩空气的作用下，通过冷喷涂设备，到达喷涂距离为15mm，基板温度为200℃的GDC基板上，粉体出喷嘴的速度为800m/s，喷涂厚度达到50μm时停止。冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。

实施例2：

将成分为Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)、粒度为30μm的粉体，在预热温度为450℃的条件下，在2MPa压缩空气的作用下，通过冷喷涂设备，到达喷涂距离为35mm，基板温度为400℃的GDC基板上，粉体出喷嘴的速度为500m/s，喷涂厚度达到50μm时停止。冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。

实施例3：

将成分为Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)、粒度为35μm的粉体，在预热温度为600℃的条件下，在2.5MPa压缩空气的作用下，通过冷喷涂设备，到达喷涂距离为25mm，基板温度为400℃的GDC基板上，粉体出喷嘴的速度为600m/s，喷涂厚度达到50μm时停止。冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。

实施例4：

将成分为Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)、粒度为40μm的粉体，在预热温度为400℃的条件下，在3MPa压缩空气的作用下，通过冷喷涂设备，到达喷涂距离为20mm，基板温度为500℃的GDC基板上，粉体出喷嘴的速度为800m/s，喷涂厚度达到50μm时停止。冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。

实施例5：

将成分为Sm_0.5Sr_0.5CoO₃(SSC)、粒度为45μm的粉体，在预热温度为600℃的条件下，在3MPa压缩空气的作用下，通过冷喷涂设备，到达喷涂距离为15mm，基板温度为500℃的GDC基板上，粉体出喷嘴的速度为800m/s，喷涂厚度达到50μm时停止。冷却之后，即可制成所需要的固体氧化物燃料电池SSC阴极。