等离子喷涂在SOFC方面的应用

  固体氧化物燃料电池(简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。等离子喷涂等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂亦有用于医疗用途，在人造骨骼表面喷涂一层数十微米的涂层，作为强化人造骨骼及加强其亲和力的方法。
  固体氧化物燃料电池具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。在大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等民用领域作为固定电站，以及作为船舶动力电源、交通车辆动力电源等移动电源，都有广阔的应用前景。固体氧化物燃料电池由于其能源利用效率高、对环境友好的绿色能源转换装置受到了世界各国的高度关注。与其他制造方法相比,等离子喷涂法具有不受基体材料尺寸、喷涂材料等条件限制,快速、低成本的特点,在制备SOFC部件方面具有明显的优势。因此,开展的等离子喷涂法制备SOFC部件的研究,对推动固体氧化物燃料电池高效、低成本制造具有重要的意义。制约燃料电池性能及其应用的主要因素在于PEN(阳极/电解质/阴极)性能的好坏,而阳极与阴极对整个电池起着非常重要的作用,阳极和阴极的多孔性作用主要是便于燃料气体和氧气扩散通过,到达三相界面,增大表面催化反应。

  多孔效果的好坏也直接影响其电性能,而等离子喷涂高效、方便和不受材料限制等方面具有较高的优势,可以很好地用在多孔薄膜电极的制造,因此本文利用等离子喷涂技术,在如何进行阳极层造孔和提高阴极层孔隙率方面展开相关工艺实验的研究。针对阳极层,提出采用添加活性炭粉的成孔方法,使用等离子喷涂工艺,通过调整工艺参数和相应的后处理工艺,获得多孔电极层。并对添加可溶性盐(工业氯化钠和磷酸三钾)作为造孔剂进行了初步探讨,还提出了利用热固性树脂包覆阳极粉以期对孔隙分布进行改善的方法。电解质层和阴极层主要是根据材料的特性通过改变工艺参数进行处理。实验通过添加质量比为15%的活性炭粉,与阳极粉末Ni/YSZ一起球磨,并通过一定的工艺制得符合要求的粉末,获得含有造孔剂的喷涂粉末,经过喷涂并加以相应的后处理,得到了较好的孔隙率。通过扫描电镜对得到的PEN各层的形貌、元素分布及成分进行了分析,同时利用Image-Pro Plus图像分析软件测定所得PEN的阳极层、电解质层和阴极层的孔隙率分别为30.2%、5.2%、39%。 另外,实验对PEN层与层之间的结合状态进行了初步研究。使用实验室自制的三筒送粉器,实现了梯度送粉方式,达到了阳极层与电解质层及电解质层与阴极层之间的连续梯度过渡。过渡层厚度约为15～20μm,其优点在于解决了层与层之间的热膨胀系数不匹配的问题,使等离子喷涂技术更好地用于SOFC的PEN结构的制备。

 

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