SOFC电极纳米化液料等离子熔射精细修饰及电化学性能提升机理

环境污染和能源紧缺是世界各国面临的重大问题，固体氧化物燃料电池（SOFC）实用化是缓解该问题的有效途径之一。如何降低SOFC运行温度并提升其功率密度和稳定性是其实用化的关键问题之一。本项目在已成功制备纳米结构SOFC致密电解质层的基础上，提出采用液料等离子熔射结合纳米技术制备纳米结构孔隙阴/阳极，实现对SOFC电极的纳米化精细修饰，不仅保证电极微观结构纳米化，而且可提高电极材料之间的相容性，达到既降低SOFC运行温度与界面极化电阻，又有效提高其功率密度和稳定性等预期目标。根据电化学性能测试结果，探明电极微观结构优化对SOFC电化学性能的提升作用机理。最后，通过对工艺特性以及成形过程控制机理的深入研究，开展液料等离子熔射一体化连续制备纳米结构孔隙可控SOFC核心部件PEN研究，为中低温SOFC实用化提供理论技术基础。

环境污染和能源紧缺是世界各国面临的重大问题，固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）实用化是缓解该问题的有效途径之一。针对中低温SOFC在电池工作温度降低时出现的阴极材料催化活性下降，优化SOFC电极微观结构则是提高其电催化活性的重要手段之一。本项目提出采用液料等离子熔射对SOFC核心电极微观结构进行纳米化修饰，实现纳米结构孔隙可控SOFC核心部件PEN的液料等离子熔射一体化连续制备。主要项目成果包括：1）通过分析液料等离子熔射成形过程中液滴在等离子射流中的变化过程及涂层沉积机理，设计了双流体型雾化喷嘴以及采用C8051F单片机开发了液料输送控制系统，为液料等离子熔射可控制备提供了实验基础。2）确定了合理的液料配置方案以保证液料的连续输送及获得较高的送粉效率，研究了束流和雾化液料送入对等离子射流形貌特征的影响，探明在液料等离子熔射过程中，需要综合考虑液料出口直径、雾化气体压力与流量、等离子弧形貌特征等参数实现优化的液料注入。同时，研究了基体与涂层温度控制方法，确定了成形过程质量控制的途径。3）对比大气与液料等离子熔射工艺，液料等离子熔射有细化晶粒的作用，能够保证所制备的为纳米结构涂层，有利于制备致密、薄涂层。在相同熔射高度下雾化较束流液料输送方式制备的涂层组织更致密，可用于制备固体氧化物燃料电池的致密电解质层。4）探明了液料等离子熔射工艺与所制备涂层的微观组织结构特点，YSZ与LSCF粉体的物相与晶体结构在大气、液料等离子熔射前后均无变化。采用液料等离子熔射工艺制备的LSCF阴极孔隙率达到31.28%，保证了反应气充分渗流到反应活性面，所制备涂层的微观组织中柱状晶沿层片体厚度方向生长，有利于获得孔隙率高且孔隙相互连通的SOFC阴极结构，提高其发电效率。采用液料等离子熔射工艺制备的致密YSZ电解质层的孔隙率1.61%，满足SOFC对电极多孔和电解质致密的要求，实现了对SOFC核心电极的精细修饰。5）开展液料等离子熔射一体化连续制备纳米结构孔隙可控SOFC阴/阳极技术和致密电解质层研究，通过不同喷涂角度、粉体材料掺杂等实现了对电极层的孔隙可控成形，实现了液料等离子熔射一体化连续制备纳米结构孔隙可控平板式SOFC核心部件。项目研究成果也能够应用于其它纳米结构功能涂层的精细制备。