液料等离子喷涂SOFC复合阴极形成机制及其性能研究

The cathode polarization becomes main cause of the power losses in solid oxide fuel cell (SOFC). Therefore, it is essential to reduce the cathode polarization in order to improve the performance based on the commercialization of SOFC. In the present study, liquid precursor plasma spraying is employed to prepare traditional YSZ/LSM composite cathode for solid oxide fuel cells by controlling the cathode microstructure to reduce the cathode polarization. In this study, the liquid precursor is used as raw material. The behavior of droplets in the plasma jet and the deposition behavior of single YSZ and LSM particle is clarified by controlling plasma power, spray distance, the nature of the liquid precursor and substrate temperature. The influence law of the YSZ/LSM composite element deposition mechanism is discussed. The evolution mechanism of cathode organizational microstructure with preparation conditions and heat treatment temperature is explained by investigating particle size distribution, pore structure and combination state between particle and itself or electrolyte surface in YSZ/LSM composite cathode. The microstructure of deposits and the effect of annealing treatment on the cathode microstructure and cathode performance were investigated. The deposition conditions of composite cathode with the micro-nano mesoporous structure and well bonded to the substrate are revealed. The design and preparation method of optimization design for composite cathode three-phase interface structures is established based on the characterization of cathode polarization and output. The research results will provide the basic data and the theoretical basis for building a cathode with high catalytic activity, and provide a new efficient method for the preparation of SOFC with high output power density at low cost.

本项目从固体氧化物燃料电池(SOFC)商业化角度出发，针对阴极极化为制约其输出性能提高的主要因素这一重要问题，提出采用液料等离子喷涂创制传统的YSZ/LSM复合阴极，通过控制微结构来降低阴极极化。本研究以液料先驱体为原料，通过控制等离子功率、喷涂距离、液料性质和基体温度等参数，研究阐明液滴在焰流中的行为及单个YSZ和LSM颗粒的沉积行为，探讨YSZ/LSM复合单元体沉积机制的影响规律；通过研究YSZ/LSM复合阴极中颗粒尺寸、分布状态、气孔结构及涂层内粒子之间及其与电解质表面的结合状态，阐明阴极的组织结构随制备条件及热处理温度的结构演变规律，揭示获得与基体结合良好、具有微纳介孔结构复合阴极的沉积条件；基于电池阴极极化与输出特性的表征，研究确立微纳介孔复合阴极三相界面结构的优化设计方法与制备规律，为高效构筑高活性阴极提供基础数据和理论基础，并为低成本化制备高输出功率密度的SOFC提供新方法。

本项目采用液料等离子喷涂制备固体氧化物燃料电池YSZ/LSM复合阴极，通过控制微结构来降低阴极极化，从而提高其输出性能。.本研究以硝酸盐溶液为原料，通过控制等离子功率、喷涂距离和基体温度等参数，研究了液滴在焰流中的行为及单个YSZ和LSM颗粒的沉积行为。研究表明，经焰流雾化后的液滴平均尺寸随喷嘴的直径变小而变小，当喷嘴直径为0.2 mm时，液滴尺寸分布在0.1-0.5 mm范围内。当喷涂距离为60 mm，等离子功率为30 kW时，沉积粒子的尺寸为10-50 µm的团聚体，团聚体由0.2-2 µm的小颗粒组成，呈疏松多孔结构。.通过研究YSZ/LSM复合阴极中颗粒尺寸、分布状态、气孔结构及涂层内粒子之间及其与电解质表面的结合状态，探讨了YSZ/LSM复合单元体沉积机制的影响规律，阐明了复合阴极的组织结构随制备条件及热处理温度的结构演变规律，揭示了获得与基体结合良好、具有微纳介孔结构复合阴极的沉积条件。当采用无水乙醇做溶剂，喷涂距离为60 mm时，YSZ/LSM复合阴极主要由包含近似球型颗粒的团聚体组成，团聚体具有微米到亚微米甚至纳米尺寸的多孔结构。部分大的团聚体之间存在大的孔隙，而大部分的孔隙尺寸在0.2-2 µm之间。通过SEM中图像分析软件可以估测其气孔率约为35 vol%。经1050oC热处理2 h后的表面形貌与喷涂态表面形貌相比，团聚体中的小颗粒与喷涂态差别不大，这说明在热处理过程中，喷涂态涂层的微结构比较稳定，没有发生明显的颗粒烧结、长大现象，在高温条件具有良好的结构稳定性。.采用交流阻抗法研究阐明了无水乙醇溶液等离子喷YSZ/LSM 复合阴极的微观结构对阴极极化的影响规律。结果表明，喷涂距离为60 mm时，在800oC，850oC，1000oC下，复合阴极的极化值分别为0.89, 0.23和0.07 Ω•cm2。.为了进一步减小阴极极化，本项目结合火焰喷涂方法制备了具有微凸结构化电解质表面的SOFC单电池，研究了电解质/阴极界面微结构对阴极极化性能的影响。与平直基体上的阴极相比，三维结构化阴极在单位面积上具有更长的三相界面长度，极化结果表明结构化阴极极化约为平基体阴极的1/3。这一研究结果为进一步研究电解质/复合阴极界面微结构对极化性能的影响奠定了良好的基础。