液料等離子噴塗SOFC複合陰極形成機制及其性能研究

《液料等離子噴塗SOFC複合陰極形成機制及其性能研究》是依託浙江師範大學，由王曉明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：液料等離子噴塗SOFC複合陰極形成機制及其性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王曉明
• 依託單位：浙江師範大學

項目摘要

本項目從固體氧化物燃料電池(SOFC)商業化角度出發，針對陰極極化為制約其輸出性能提高的主要因素這一重要問題，提出採用液料等離子噴塗創製傳統的YSZ/LSM複合陰極，通過控制微結構來降低陰極極化。本研究以液料先驅體為原料，通過控制等離子功率、噴塗距離、液料性質和基體溫度等參數，研究闡明液滴在焰流中的行為及單個YSZ和LSM顆粒的沉積行為，探討YSZ/LSM複合單元體沉積機制的影響規律；通過研究YSZ/LSM複合陰極中顆粒尺寸、分布狀態、氣孔結構及塗層內粒子之間及其與電解質表面的結合狀態，闡明陰極的組織結構隨製備條件及熱處理溫度的結構演變規律，揭示獲得與基體結合良好、具有微納介孔結構複合陰極的沉積條件；基於電池陰極極化與輸出特性的表征，研究確立微納介孔複合陰極三相界面結構的最佳化設計方法與製備規律，為高效構築高活性陰極提供基礎數據和理論基礎，並為低成本化製備高輸出功率密度的SOFC提供新方法。

結題摘要

本項目採用液料等離子噴塗製備固體氧化物燃料電池YSZ/LSM複合陰極，通過控制微結構來降低陰極極化，從而提高其輸出性能。 本研究以硝酸鹽溶液為原料，通過控制等離子功率、噴塗距離和基體溫度等參數，研究了液滴在焰流中的行為及單個YSZ和LSM顆粒的沉積行為。研究表明，經焰流霧化後的液滴平均尺寸隨噴嘴的直徑變小而變小，當噴嘴直徑為0.2 mm時，液滴尺寸分布在0.1-0.5 mm範圍內。當噴塗距離為60 mm，等離子功率為30 kW時，沉積粒子的尺寸為10-50 µm的團聚體，團聚體由0.2-2 µm的小顆粒組成，呈疏鬆多孔結構。 通過研究YSZ/LSM複合陰極中顆粒尺寸、分布狀態、氣孔結構及塗層內粒子之間及其與電解質表面的結合狀態，探討了YSZ/LSM複合單元體沉積機制的影響規律，闡明了複合陰極的組織結構隨製備條件及熱處理溫度的結構演變規律，揭示了獲得與基體結合良好、具有微納介孔結構複合陰極的沉積條件。當採用無水乙醇做溶劑，噴塗距離為60 mm時，YSZ/LSM複合陰極主要由包含近似球型顆粒的團聚體組成，團聚體具有微米到亞微米甚至納米尺寸的多孔結構。部分大的團聚體之間存在大的孔隙，而大部分的孔隙尺寸在0.2-2 µm之間。通過SEM中圖像分析軟體可以估測其氣孔率約為35 vol%。經1050oC熱處理2 h後的表面形貌與噴塗態表面形貌相比，團聚體中的小顆粒與噴塗態差別不大，這說明在熱處理過程中，噴塗態塗層的微結構比較穩定，沒有發生明顯的顆粒燒結、長大現象，在高溫條件具有良好的結構穩定性。 採用交流阻抗法研究闡明了無水乙醇溶液等離子噴YSZ/LSM 複合陰極的微觀結構對陰極極化的影響規律。結果表明，噴塗距離為60 mm時，在800oC，850oC，1000oC下，複合陰極的極化值分別為0.89, 0.23和0.07 Ω•cm2。 為了進一步減小陰極極化，本項目結合火焰噴塗方法製備了具有微凸結構化電解質表面的SOFC單電池，研究了電解質/陰極界面微結構對陰極極化性能的影響。與平直基體上的陰極相比，三維結構化陰極在單位面積上具有更長的三相界面長度，極化結果表明結構化陰極極化約為平基體陰極的1/3。這一研究結果為進一步研究電解質/複合陰極界面微結構對極化性能的影響奠定了良好的基礎。