固体氧化物燃料电池电极的等离子喷涂制备及性能研究

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1、摘要固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料气体的化学能直接转换为电能的发电装置。它具有能量转换率高、比能量高、效率高、无污染、原料可以连续供给、全固态结构等特点，是目前发展最快的能源技术之一，已经成为当今科研领域的研究热点。为了实现SOFC中温化及寻找有效的制备方法，电极的薄膜化是必然趋势。等离子喷涂法具有不受材料选择的限制、生产效率高等优势，是一种先进的薄膜制备工艺，在目前以及未来的研究中占有一席之地。本课题主要对中温SOFC的等离子喷涂制作技术与性能表征进行了研究，取得了以下研究成果：首次成功采用松装烧结的方法制备出满足等离子喷涂用多孔金属镍

2、支撑基体，气孔率为36.95％，抗弯强度为102.4MPa，在经过模拟工作100小时后，抗弯强度提高至160MPa，孔隙率减少，但仍在30％以上。采用等离子喷涂连续喷涂的方法在多孔金属镍支撑体上制备出复合阳极和电解质，并选择了不同的阳极材料进行喷涂，通过能谱分析发现Ni/YSZ粉体制备的阳极Ni挥发较多，与预期的比例相差较大，无法形成理想的阳极；而选择NiO/YSZ粉体制备的阳极，其微观结构电极涂层明显，能谱分析显示组分符合要求，故喷涂粉体宜选择NiO/YSZ。对电极进行了高温模拟环境稳定性实验，其XRD测试结果表明涂层经过750℃模拟工作条件下10

3、0小时相结构稳定，SEM和能谱分析测试结果显示各层之间结合良好，并且有一定成分扩散现象，提高了层间的热力学稳定性。电极的抗弯强度在经过750℃模拟工作后抗弯强度由100MPa提高到160MPa；其基体以及各层的气孔率在经过模拟工作后有所减少，但仍满足对阳极气体通过率的要求，电解质的致密度在94％左右，基本满足SOFC的致密性要求。呈梯度成分变化的基体和电极，降低了因薄膜与基体热膨胀系数差异大而导致在涂层中产生大的热应力，在经过五次热震性能循环实验的过程中只发现局部少量剥离的现象。关键词：固体氧化物燃料电池等离子喷涂松装烧结金属支撑电极结合强度IAbs

4、tractSolidoxidefuelcell(SOFC)isanenergyconversiondevicethatproduceselectricity(andheat)directlyfromfossilfuelsbyelectrochemicalreactions.Beingseveraladvantages,suchashigherenergyconversionefficiency,nowasteandallsolidstructure,SOFChasbeenthehotspotofscientificresearchtoday.Thet

5、hinfilmelectrodeisaninevitabletrendtorealizetheintermediateworkingtemperatureandtoseekeffectivepreparationmethods.Theplasmasprayingisanadvancedtechnologytopreparethinfilmduetohigheffectivenessandnolimitsofmaterialselection.Inthisthesis,researchwasdoneaimedattheapplicationofplas

6、masprayingintheintermediate-temperaturesolidoxidefuelcell(IT-SOFC)andthecorrelatedaspects.ThispapergotthefollowingpositiveresultsbypreparationonIT-SOFCwithplasmasprayandresearchonitsperformance.Metalsupportednickelporoussubstratewaspreparedsuccessfullyfirstlybyloosesintering.Ni

7、ckelporoussubstratepossessedporosityof36.95%andbendingresistanceof102.4MPa.Itsbendingresistancecanbeimprovedto160MPaandporositybereducedto30%aboveafterasimulatedworkingtestof100hoursat750℃Compositeanodeandtheelectrolytedouble-layercoatingswerepreparedbymeansofplasmasprayonmetal

8、supportednickelporoussubstrate.Selecteddifferentanodep