【摘 要】
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固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有发电效率高、环境友好等特点而受到广泛关注。其中,金属支撑型SOFC工作响应速度快、机械稳定性高,更具发展潜力。目前金属支撑型SOFC制备难点主要集中在功能层上,尤其是电解质。传统湿化学工艺需要烧结过程（＞1200℃）,难以运用在金属基体上;镀膜技术又涉及设备成本较高或者沉积效率太低的问题。相比上述制备方法,等离子喷涂技术兼具成本和效率的优势、同时对基体热输入少,
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固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有发电效率高、环境友好等特点而受到广泛关注。其中,金属支撑型SOFC工作响应速度快、机械稳定性高,更具发展潜力。目前金属支撑型SOFC制备难点主要集中在功能层上,尤其是电解质。传统湿化学工艺需要烧结过程（＞1200℃）,难以运用在金属基体上;镀膜技术又涉及设备成本较高或者沉积效率太低的问题。相比上述制备方法,等离子喷涂技术兼具成本和效率的优势、同时对基体热输入少,可在金属上沉积SOFC功能层。目前等离子喷涂金属支撑型SOFC关键在于电解质致密度的提升。据此,本文选择已被广泛应用的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）作为电解质,研究大气等离子喷涂（APS）和低压等离子喷涂（LPPS）工艺对电解质致密度提升的作用机制。第一步采用APS在不同温度加热基体上沉积YSZ以获得利于涂层致密化的沉积温度;第二步采用APS在已加热基体上进一步探究不同喷距对YSZ致密化的影响;第三步采用LPPS制备YSZ电解质,利用低压环境保温和等离子射流膨胀等优势继续研究在已加热基体上不同喷距对YSZ致密化的影响。重点研究YSZ单粒子沉积形貌与电解质结构及力学性能的联系。在此基础上,以多孔不锈钢为基体制备了YSZ电解质单电池,通过测试输出性能及阻抗曲线研究电池性能。主要研究结果如下:（1）通过APS沉积出的YSZ单粒子随基体温度升高展现出更规整形貌。在600℃基体上沉积的涂层孔隙率为7.16%,致密性明显优于室温下YSZ涂层,并展现出良好的力学性能。其装配的单电池最高开路电压为0.97V,900℃下峰值功率为850 m W·cm-2,欧姆电阻为0.23Ω·cm~2。电池各项电化学性能表明,YSZ致密性还需进一步提升。（2）APS在600℃基体上以80 mm喷距获得了具有足够铺展效果和最少微裂纹的YSZ单粒子,其沉积出的涂层最致密,孔隙率为3.56%。涂层展现出APS涂层中最好的力学性能。单电池最高开路电压为0.96 V,900℃下峰值功率为902m W·cm-2,欧姆电阻为0.10Ω·cm~2,电池具有可观输出功率,但开路电压依然小于1 V。说明APS通过以上两种优化后制备的YSZ仍不满足实际使用时对致密性的要求。（3）LPPS沉积出的YSZ单粒子沉积形貌完全不同于APS,各喷距下粒子铺展后都呈放射状并伴有边缘飞溅。在325 mm喷距下沉积出结构最好的YSZ单粒子,使得该喷距下堆叠出高致密涂层,孔隙率仅为1.18%。优异的结构致密性和均匀性赋予涂层极高硬度和弹性模量,远高于APS下最致密的YSZ涂层。由该YSZ装配的单电池开路电压在测试温度内都高于1 V,最高开路电压为1.06V,900℃下峰值功率达到817 m W·cm-2,电池欧姆电阻为0.13Ω·cm~2。采用LPPS制备的YSZ综合性能优于APS,可直接在SOFC中使用,展现出良好发展潜力。
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