固-液相等離子噴涂制備固體氧化物燃料電池復(fù)合電極.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)化裝置，具有能源利用效率高，環(huán)境友好等特點(diǎn)受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注。目前SOFC的主要研究在于降低其工作溫度，其中電解質(zhì)薄膜化是主要途徑。由于粉末粒徑在10~100μm，大氣等離子噴涂（Atmospheric Plasma Spray，APS）難以噴涂薄的（<30μm）組織精細(xì)的涂層，因此發(fā)展了懸浮液等離子噴涂（Suspension

2、 Plasma Spray，SPS）。懸浮液等離子噴涂將微米級(jí)顆粒的懸浮液送入等離子射流中心，制備組織精細(xì)、致密的涂層，能夠有效降低電池工作溫度。
　　 本文提出并研究以硅片為基體，采用固/液相等離子噴涂工藝制備固體氧化物燃料電池復(fù)合電極，即依次固相送料噴涂陽(yáng)極、懸浮液束流送料噴涂電解質(zhì)、固相送料噴涂陰極。主要研究?jī)?nèi)容包含以下5個(gè)方面：
　　 1）研究配置高度分散的、穩(wěn)定的懸浮液。高度分散的懸浮液既可以防止噴嘴堵塞，也保

3、證了電解質(zhì)涂層的均勻性。YSZ懸浮液的配置參數(shù)包含：PH值、分散劑類型和用量、懸浮液濃度等，通過(guò)對(duì)不同配比的懸浮液進(jìn)行沉淀量測(cè)試和流變性能測(cè)試，確定了懸浮液的最優(yōu)配比：水作為溶劑，YSZ固含量為20(wt％)，PAA作為陰離子分散劑含量為0.39(wt％)（對(duì)溶質(zhì)質(zhì)量）氨水調(diào)節(jié)pH值，pH值為10；
　　 2）研究液料注射方式，相關(guān)參數(shù)及束流注射對(duì)等離子射流形態(tài)的影響。用CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)懸浮液束流與等離子射流形態(tài)，分析了影響液滴與

4、射流形態(tài)的參數(shù)，包含噴嘴孔徑，注射氣壓、噴涂功率等，結(jié)果表明在單流體噴嘴孔徑為0.3mm，噴涂電流600A，噴涂功率為33Kw的條件下，注射氣壓為0.25MPa時(shí)射流形態(tài)最佳；
　　 3）研究噴涂距離對(duì)懸浮液等離子噴涂電解質(zhì)涂層形貌及沉積效率的影響。結(jié)果表明噴涂距離是影響電解質(zhì)涂層形貌、沉積效率和孔隙率的關(guān)鍵參數(shù)。噴涂電流600A，功率33Kw的條件下噴涂距離為60mm時(shí)有較高的沉積效率（0.25μm /道）；
　　 4

5、）研究了提高陽(yáng)極層和陰極層孔隙方案的措施，即通過(guò)改變噴涂角度、提高噴涂掃描速度和添加造孔劑三個(gè)方面提高孔隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)措施前后的陽(yáng)極層的孔隙率分別約為19.4和28.7％，陰極層的孔隙率分別約為20.3％和32.6％.
　　 5）用掃描電鏡和能譜分析對(duì)復(fù)合電極微觀組織和成分進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：陽(yáng)極層、電解質(zhì)層和陰極層的平均厚度分別約為20、25、40μm，懸浮液束流送料等離子噴涂可以制備薄的（25μm）、組織粒度精