基于控制单个电解质颗粒熔化状态构筑电解质/阴极界面微结构及其构效关系

本项目面向电解质先于阴极制备的固体氧化物燃料电池结构，针对由电解质/阴极界面微结构决定的阴极极化为控制电池输出性能的关键问题，提出了基于热喷涂粒子飞行速度和温度的控制在电解质表面沉积微凸颗粒构筑具有不同表面微凸结构电解质的思路与制备方法。研究阐明粒子飞行速度和温度与微凸颗粒的等效直径、高度和实际有效表面积等几何参数之间的关系；基于微凸粒子结构与电荷传输特性，研究确立电解质表面微凸结构物理模型与三相界面长度数学模型，为微结构优化提供依据；研究阐明微凸结构电解质表面特性参数与阴极极化之间的关系，为阴极结构的优化提供依据。该项目将为固体氧化物燃料电池高性能阴极结构的控制与制备提供新的方法，为理解阴极的控制因素提供理论依据。

随着固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质层的薄膜化，阴极极化成为制约电池输出性能提高的主要因素。本研究提出了基于表面熔化粒子在电解质表面热喷涂沉积微凸结构YSZ与ScSZ颗粒，从而提高阴极的有效三相反应界面长度的思路。系统研究了火焰喷涂条件对飞行粒子速度与温度及沉积特性的影响规律，研究液料等离子喷涂制备亚微米结构的LSM阴极层的规律，系统研究了液料等离子喷涂LSM微结构与极化性能之间的关系、电解质/阴极界面微结构对阴极极化性能的影响。.研究结果表明：通过调节火焰喷涂中的乙炔流量和喷涂距离可以获得具有不同颗粒速度和熔化状态的半熔粒子。阐明了喷涂粒子的平均速度随着乙炔流量的增大而升高的规律及粒子状态参数（速度、熔化状态）对沉积粒子形态的影响。发现在基体温度大于600oC的条件下，可以实现表面熔化的半熔粒子的有效结合与沉积，在喷涂距离为20 mm，乙炔流量为200 Lh-1时，沉积的粒子大部分为球状，仅球形下部与基体粘结在一起，随着喷涂距离和乙炔流量的增大，颗粒熔化程度变大，颗粒凸起高度变小。采用三维激光扫描显微镜定量表征微凸YSZ颗粒的表面积，结果表明微凸颗粒表面积与投影面积比约为3.45倍。.当采用无水乙醇做溶剂时，在喷涂距离为60 mm时，喷涂态LSM沉积粒子为尺寸为10~60µm的疏松多孔结构的团聚体，团聚体由0.2~2 µm的小颗粒组成，涂层呈现出微米到亚微米尺寸的多孔结构。极化测试结果表明，喷涂距离为60 mm时，采用水和无水乙醇溶液等离子喷涂LSM的极化值在1000oC下分别为0.3和0.15 Ω•cm2。.对在火焰喷涂制备的微凸电解质表面上，采用乙醇为溶剂的溶液等离子喷涂制备的LSM阴极研究表明，具有结构化电解质表面的阴极显著减小阴极极化。极化测试结果表明，800oC和1000oC下结构化阴极极化最小分别约为1.76和0.1 Ω•cm2。对具有平直界面和微凸界面结构的SOFC输出性能研究结果表明，在900oC下平直界面和微凸界面结构的SOFC对应的最大输出功率密度为分别为116和127 mW•cm-2。