【正文】 力，導(dǎo)致連接板發(fā)生翹曲，最后導(dǎo)致電池堆發(fā)生災(zāi)難性失效。為了提高 合金 的耐高溫氧化性 ，常常在金屬中加入 Cr,使金屬表而形成一層耐高溫的金屬氧化物薄膜 (Cr203)。 關(guān)鍵詞： 等離子噴涂、固體氧化物燃料電池 、 金屬連接板 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 II 頁(yè) II Abstract As an energy conversion device, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) has arisen high attention from the world for its high efficiency and low pollution. Plasma spray, which is not limited by base39。本文采用等離子噴涂法在 SUS430連接板 上制備 (LSM)保護(hù)薄膜，優(yōu)化了在 SUS430基體上等離子噴涂 LSM保護(hù)薄膜的工藝流程及工藝參數(shù)；采用 XRD, SEM分別分析了薄膜的成分，表面與截面形貌；對(duì)比了噴涂前后 LSM粉體的成分與相結(jié)構(gòu)變化；用二支點(diǎn)法測(cè)量了有與無(wú) LSM保護(hù)膜時(shí)，金屬連接板的電導(dǎo)率。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 I 頁(yè) I 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 等離子噴涂法制備 SOFC 連接體材料保護(hù)涂層 摘要 ： 作為高性能固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵組件之一 —— 連接板主要起著在相鄰的電池之間傳輸電子和分隔燃料與相鄰電池氧化劑的作用，金屬連接板以其低成本的優(yōu)勢(shì)成為研究的重點(diǎn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)得出了較好的結(jié)果 ： 噴涂前后粉末的衍射峰的強(qiáng)度 、寬度和位置均沒(méi)有發(fā)生變化。s size or material, has clear advantage in fast and lowcost preparation of SOFC ponent. So, study on preparation of SOFC ponent by plasma spray, in this article, has important social and actual economic purports to our national future energy resource and sustainable development strategy. With reduction of SOFC39。但是，對(duì)于形成 Cr203的連接板主要問(wèn)題是，在燃料電池的運(yùn)行溫度下， Cr的氣態(tài)物質(zhì) (如 CrO3（ g))的揮發(fā)很顯著。金屬合金的熱膨脹系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整金屬中各成分的含量，使金屬合金的熱膨脹系數(shù)與固體氧化物電池的其它部件相匹配。工作氣體進(jìn)入電極腔的弧狀區(qū)后，被壓縮電弧加熱離解形成等離子體，其中心溫度高達(dá) 15000K以上，同時(shí)經(jīng)孔 道高壓壓縮后呈高速等離子射流噴出。 其次，尋找 出 PVA 和 LSM 粉末的 最 佳配比 。燃料與氧化劑分別通過(guò)分流輸送到陽(yáng)極與陰極。 其反應(yīng)式為： 陽(yáng)極氧化反應(yīng)： 【 R】 【 R】 ++ e 陰極還原反應(yīng)： 【 R】 ++【 O】 + e【 W】 . 燃料電池的分類(lèi) 燃料電池的分類(lèi)方法很多，可以按工作溫度、電解質(zhì)類(lèi) 型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所用燃料的不同及應(yīng)用分類(lèi)。各種燃料電池的性能特征見(jiàn)表 。 3) 陽(yáng)極： 燃料發(fā)生氧化反應(yīng)的場(chǎng)所。金屬連接板的使用將大大降低 SOFC 的材料和制造成本，促進(jìn)固體氧化物燃料電池堆的商品化，從而提高 SOFC 同傳統(tǒng)火力發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力。大約在 1000℃ 時(shí)，氧化物 的斜六面體轉(zhuǎn)變?yōu)榱呅谓Y(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到大約 16500C時(shí)將轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较唷?LaCr03主要存在以下問(wèn)題 : (1 )在空氣中的燒結(jié)性能差 。主要摻雜元素有 Ca, Al, Co和 Sr等。 cm1） 導(dǎo)熱率 熱膨脹系數(shù) 106 標(biāo)準(zhǔn)焓變 標(biāo)準(zhǔn)熵變 抗彎強(qiáng)度 Wmol1耐熱合金主要為 Ni基、 Co基和加入 Cr的鐵合金或氧化物彌散強(qiáng)化 (ODS)Cr合金。目前，連接板的制備方法有 :燒結(jié)法、電化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、等離子噴涂等。在開(kāi)始運(yùn)行的 2100h 中，電池性能沒(méi)有下降。 日本的 Tomasz Brylewski等人選用 SUS430不銹鋼 (Nippon Steel, Japan)作連接板。 La, Sr和 Co的硝酸鹽按摩爾比為 :La/Sr/: : 1混合。 2) 以 LSM為原材料， 利用空氣等離子噴涂技術(shù)制備 SOFC連接體材料。載有噴涂粉末的氣體進(jìn)入等離子 焰流，使粉末很快呈熔化或半熔化狀態(tài)，并高速?lài)姶蛟诹慵砻娈a(chǎn)生塑性變形，粘附在零件表面。 2) 涂層的種類(lèi)多；由于 等離子射流溫度很高，可以將各種噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，因而可供等離子噴涂使用的材料非常廣泛，既可以噴涂低熔點(diǎn)金屬和金屬合金，還可以噴涂各種難熔材料，例如陶瓷等。 6) 適合制備功能梯度薄膜。噴涂時(shí)采用外送粉。與電子束、激光束加工相比，等離子噴涂?jī)r(jià)格比較低廉，生產(chǎn)效率高。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 9 頁(yè) 9 等離子噴涂的關(guān)鍵工藝參數(shù)包括 :功率、粉末尺寸、送粉量 、噴涂速率、氣體流量，噴槍行走速度、噴距等。同時(shí)，還可以賦予材料表面特殊的性能，因此等離子噴涂技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。 最后，通過(guò) SEM、 X射線(xiàn)衍射、 二 支點(diǎn)法 電導(dǎo)率測(cè)試儀 等測(cè)定薄膜 表面形貌 、電導(dǎo)率和相成分等。為了增加粉末的流動(dòng)性，重新考慮 LSM粉末和聚乙烯醇水溶液的配比進(jìn)行造粒，直到粉末表現(xiàn)出很好的流動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)得出兩者的最佳配比為 ％。 表面處理 噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理，以增加其表面粗糙度、提高基體的活性和預(yù)先在基體上形成壓應(yīng)力、提高薄膜與基體的結(jié)合力。粘結(jié)層與 LSM薄膜的噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表 。本文將原始粉末與噴涂薄膜的成份進(jìn)行了 XRD對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)噴涂前后粉末的衍射峰的強(qiáng)度、寬度和位置均沒(méi)有 發(fā)生變化。從圖中可以看出薄膜中存在均勻分散的非聯(lián)通細(xì)孔，由圖像分析法計(jì)算得該薄膜的孔隙率為 3％。 等離子射流是一種快速流動(dòng)的高溫流體，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)粉末材料被粉氣送入等離子射流中時(shí)，等離子射流會(huì)對(duì)粉末顆粒產(chǎn)生加熱、加速作用。結(jié)晶前沿由基體朝著熔融粒子方向運(yùn) 動(dòng)。在同基體碰撞時(shí)，粒子首先發(fā)生彈性變形，但是 LSM 的塑性相對(duì)較差，彈性變形比較小，而沒(méi)有鋪展形成圓盤(pán)狀。為了降低氧化膜的厚度，當(dāng)溫度提高時(shí)，噴涂需要在氧氣保護(hù)環(huán)境中進(jìn)行。連接板在空氣中， 130－ 1800C條件下的電導(dǎo)率，見(jiàn)圖 。無(wú) LSM保護(hù)膜金屬連接板的電導(dǎo)率在 130－ 1800C范圍內(nèi)變化很?。ㄏ陆盗?5％左右），可能是因?yàn)樵诮饘龠B接板表面生成的低電導(dǎo)率的氧化物 Cr2O3而導(dǎo)致其電導(dǎo)率特性曲線(xiàn)呈現(xiàn)云母片 加熱容器 Pt 導(dǎo)線(xiàn) 圖 二支點(diǎn)法測(cè)量電導(dǎo)率示意圖 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 15 頁(yè) 15 下降趨勢(shì)。二支點(diǎn)法測(cè)量了有與無(wú) LSM保護(hù)膜時(shí)，金屬連接板的電導(dǎo)率。 圖 連接板電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系曲線(xiàn) 0 105 205 305 405 505 605 705 溫度 /℃ 電導(dǎo)率/Ω1 cm1 有 LSM 無(wú) LSM 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 16 頁(yè) 16 4. 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與展望 本文采用等離子噴涂工藝，制備了 La (LSM) 金屬連接板保護(hù)涂層，系統(tǒng)分析了噴涂工藝對(duì) LSM涂層 的性能 影響，探索了增強(qiáng)涂層與金屬基體結(jié)合性能的措施。 (2)為了提高 LSM薄膜同基體 SUS430鐵素體不銹鋼之間的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂 LSM之前，噴涂 NiCr20粘結(jié)底層。對(duì)于有 LSM涂層的連 接板，其最打電導(dǎo)率為 cm1(約 400℃ 時(shí) )。從空氣等離子噴涂和水穩(wěn)等離子噴涂發(fā)展到真空等離子噴涂以及后來(lái)的超音速等離子噴涂和反應(yīng)等離子噴涂、微束等離子噴涂等。在一系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來(lái)越多的工業(yè)部門(mén)的重系列的技術(shù) 領(lǐng) 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 17 頁(yè) 17 域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來(lái)越多的工業(yè)部門(mén)的重系列的技術(shù)領(lǐng)域里，等離子涂層所顯示的獨(dú)特優(yōu)越性已經(jīng)引起越來(lái)越多的工業(yè)部門(mén)的重視，故在航空、冶金、機(jī)械、機(jī)車(chē)車(chē)輛等部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。 針對(duì)噴涂粉末和等離子噴涂處理過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬并對(duì)其實(shí)行智能化控制。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)等離子噴涂過(guò)程和涂層的計(jì)算 機(jī)模擬也有較大的發(fā)展。此外，有關(guān)送粉量的精確控制、薄膜中導(dǎo)通孔隙測(cè)定等許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究。鑒于其高能量轉(zhuǎn)換效率、操作方便、對(duì)環(huán)境低污染的特點(diǎn)，近半個(gè)世紀(jì)來(lái)特別是近十年來(lái)世界各國(guó)普遍重視并大力投入研制開(kāi)發(fā)。 (2)燃料使用面廣。 (4)無(wú)須使用貴金屬作為電極催化劑。 固體氧化物燃料電池 (SOFC)是一種全固態(tài)的燃料電池體系，與其他諸如 AFC，PAM， MCFC燃料電池相比，不存在電解液的流失與腐蝕問(wèn)題，能量轉(zhuǎn)化效率高，是目前燃料電池研 究中的熱點(diǎn)。 (1)具有良好的高溫導(dǎo)電性。 (3)材料要致密。 (5)要有很好的熱導(dǎo)率。目前，用作連接體的合金材料主要有 Ni基合金、Cr基合金和 Fe基合金。目前合金連接體材料的抗氧化組分都采用 Cr作為抗氧化合金元素。 2．等離子噴涂的基本原理及其特點(diǎn) 等離子噴涂是一種高能加工工藝，既可用于零件表面強(qiáng)化，又可 近凈成形直接制造零件。 畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文 第 26 頁(yè) 26 展 望 我國(guó)對(duì) SOFC的研究還處于起步階段，科研水平和經(jīng)費(fèi)投入與國(guó)外相比都有很大差距，中科院上海硅酸鹽研究所 2020年組裝出了輸出功率 800W 、運(yùn)行溫 度1000。用 LaCrO3 基陶瓷作連接材料的制作成本太高，這嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化的進(jìn)程。 (2)為正在研究的合金材料開(kāi)發(fā)出性能更好和成本更低廉的涂覆材料。本研究的主要目的是通過(guò)空氣等離子噴涂 (APS)(LSM20) 和La (LSF20)保護(hù)性涂層來(lái)降低合金的氧化生長(zhǎng)速率，尤其是減少 Cr203相的生長(zhǎng)。 關(guān)鍵詞 ：等離子噴涂；固體氧化物燃料電池；金屬 連接體；涂層；稀土 合金的連接體材料的發(fā)展起源于陽(yáng)極（氧化極）保護(hù)層平板式結(jié)構(gòu)的 SOFC（固體氧化物燃料電池）的發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池能夠用合金連接體代替以 LaSrO3 為底物的的陶瓷連接體材料，這是由于燃料電池。在800℃ 空氣中進(jìn)行了熱震實(shí)驗(yàn)，經(jīng) 50次循環(huán)， LSM20和 LSF20涂層合金十分穩(wěn)定，而 SUS430合金氧化層表現(xiàn)出明顯地剝落和失重現(xiàn)象。 (4)改善電池堆結(jié)構(gòu)和電池其它部件的性能，降低電池的運(yùn)行溫度。未來(lái)對(duì)連接材料的研究重點(diǎn)應(yīng)在以下幾個(gè) 方面： (1)開(kāi)發(fā)新的連接材料。 C的管式 SOFC電池堆。它是指以等離子射流為熱源，將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，并將該狀態(tài)的噴涂材料通過(guò)高速氣體霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種表面加工方法。鉻的氧化物和氫氧化物的在電極的沉積將破壞電池的電化學(xué)性能，同時(shí)，在 SOFC長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中， Cr2O3在電極及連接體界面沉積，并進(jìn)一步與電極反應(yīng)生成 CrMnO4和 SrCrO4等尖晶石結(jié)構(gòu)化合物，并在電極與電解質(zhì)界面的沉積，這將使得濃度極化和電化學(xué)極化程度加大，使電極性能降低；并且，水蒸氣壓越大， Cr(VI)的揮發(fā)越顯著，然而燃料之中必定含有一定量的水蒸氣，同時(shí)水蒸氣也是燃料電池反應(yīng)的產(chǎn)物。合金連接體材料作為單體電池間的橋梁 ,不但要求其具有較好的抗氧化性能，而且要求其熱膨脹性能與電池的其他部件相匹配。 (7)要有很好的高溫機(jī)械強(qiáng)度，尤其對(duì)于平板式電池來(lái)說(shuō)這一點(diǎn)更為重要，因?yàn)殡姵卦谶\(yùn)行時(shí)各個(gè)部件都要承受一定的重量。 (4)在工作溫度范圍內(nèi)，連接材料的熱膨脹率要和電池其它部件材料的熱膨脹率相匹配。 (2)一定的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的連接體材料主要是摻雜的 LaCrO3 陶瓷， LaCrO3 陶瓷的主要缺點(diǎn)是燒結(jié)性能較差，通常需要在 1600 ℃ 以上燒結(jié)成瓷，而且陶瓷材料的機(jī)械加工性能較差 ，其成本通常占電池成本的 70％左右，目前中低溫 SOFC(600oC一 800oC)是固體氧化物燃料電池的發(fā)展方向，電池在此溫度區(qū)間工作，可采用耐高溫合金材料作為電 池 堆的連接體材料。 固體氧化物燃料電池自身的特點(diǎn)決定了它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 (3)余熱利用價(jià)值高。 SOFC突出的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在： (1)發(fā)電效率高，能量密度大。一 xMxO，的電性能研究 [J]．吉林大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 7(3)： 55—58． 【 25】 王文，張海鷗，王桂蘭．固體氧化物燃料電池連接板材料和制備工藝 [J]．能源研究與信息， 2020， 3(18)： 178—184． 【 26】 周輝，任小華，蔣文全．等．制備工藝對(duì)球形氫氧化鎳結(jié)構(gòu)和性能的影響 ．電源技術(shù)， l999， 23(3)： 67—69．