【正文】 力，導致連接板發(fā)生翹曲，最后導致電池堆發(fā)生災難性失效。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) (設計 )論文 第 II 頁 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)保護薄膜，優(yōu)化了在 SUS430基體上等離子噴涂 LSM保護薄膜的工藝流程及工藝參數；采用 XRD, SEM分別分析了薄膜的成分，表面與截面形貌；對比了噴涂前后 LSM粉體的成分與相結構變化；用二支點法測量了有與無 LSM保護膜時，金屬連接板的電導率。 畢業(yè) (設計 )論文 第 I 頁 I 畢業(yè)設計論文 等離子噴涂法制備 SOFC 連接體材料保護涂層 摘要 ： 作為高性能固體氧化物燃料電池的關鍵組件之一 —— 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)勢成為研究的重點內容。實驗得出了較好的結果 ： 噴涂前后粉末的衍射峰的強度 、寬度和位置均沒有發(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，對于形成 Cr203的連接板主要問題是，在燃料電池的運行溫度下， Cr的氣態(tài)物質 (如 CrO3（ g))的揮發(fā)很顯著。金屬合金的熱膨脹系數可以通過調整金屬中各成分的含量，使金屬合金的熱膨脹系數與固體氧化物電池的其它部件相匹配。工作氣體進入電極腔的弧狀區(qū)后，被壓縮電弧加熱離解形成等離子體，其中心溫度高達 15000K以上，同時經孔 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分流輸送到陽極與陰極。 其反應式為： 陽極氧化反應： 【 R】 【 R】 ++ e 陰極還原反應： 【 R】 ++【 O】 + e【 W】 . 燃料電池的分類 燃料電池的分類方法很多，可以按工作溫度、電解質類 型、結構特點和所用燃料的不同及應用分類。各種燃料電池的性能特征見表 。 3) 陽極： 燃料發(fā)生氧化反應的場所。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)電的競爭力。大約在 1000℃ 時，氧化物 的斜六面體轉變?yōu)榱呅谓Y構，當溫度繼續(xù)升高到大約 16500C時將轉變?yōu)榱⒎较唷?LaCr03主要存在以下問題 : (1 )在空氣中的燒結性能差 。主要摻雜元素有 Ca, Al, Co和 Sr等。 cm1） 導熱率 熱膨脹系數 106 標準焓變 標準熵變 抗彎強度 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化 (ODS)Cr合金。目前，連接板的制備方法有 :燒結法、電化學氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子噴涂等。在開始運行的 2100h 中，電池性能沒有下降。 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制備 SOFC連接體材料。載有噴涂粉末的氣體進入等離子 焰流，使粉末很快呈熔化或半熔化狀態(tài)，并高速噴打在零件表面產生塑性變形，粘附在零件表面。 2) 涂層的種類多；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。噴涂時采用外送粉。與電子束、激光束加工相比，等離子噴涂價格比較低廉，生產效率高。 畢業(yè) (設計 )論文 第 9 頁 9 等離子噴涂的關鍵工藝參數包括 :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，還可以賦予材料表面特殊的性能，因此等離子噴涂技術得到廣泛的應用。 最后，通過 SEM、 X射線衍射、 二 支點法 電導率測試儀 等測定薄膜 表面形貌 、電導率和相成分等。為了增加粉末的流動性，重新考慮 LSM粉末和聚乙烯醇水溶液的配比進行造粒，直到粉末表現出很好的流動性，實驗得出兩者的最佳配比為 ％。 表面處理 噴涂前對基體表面進行噴砂處理，以增加其表面粗糙度、提高基體的活性和預先在基體上形成壓應力、提高薄膜與基體的結合力。粘結層與 LSM薄膜的噴涂工藝參數見表 。本文將原始粉末與噴涂薄膜的成份進行了 XRD對比分析，發(fā)現噴涂前后粉末的衍射峰的強度、寬度和位置均沒有 發(fā)生變化。從圖中可以看出薄膜中存在均勻分散的非聯通細孔，由圖像分析法計算得該薄膜的孔隙率為 3％。 等離子射流是一種快速流動的高溫流體，當低熔點粉末材料被粉氣送入等離子射流中時，等離子射流會對粉末顆粒產生加熱、加速作用。結晶前沿由基體朝著熔融粒子方向運 動。在同基體碰撞時，粒子首先發(fā)生彈性變形，但是 LSM 的塑性相對較差，彈性變形比較小，而沒有鋪展形成圓盤狀。為了降低氧化膜的厚度，當溫度提高時，噴涂需要在氧氣保護環(huán)境中進行。連接板在空氣中， 130－ 1800C條件下的電導率，見圖 。無 LSM保護膜金屬連接板的電導率在 130－ 1800C范圍內變化很?。ㄏ陆盗?5％左右），可能是因為在金屬連接板表面生成的低電導率的氧化物 Cr2O3而導致其電導率特性曲線呈現云母片 加熱容器 Pt 導線 圖 二支點法測量電導率示意圖 畢業(yè) (設計 )論文 第 15 頁 15 下降趨勢。二支點法測量了有與無 LSM保護膜時，金屬連接板的電導率。 圖 連接板電導率與溫度的關系曲線 0 105 205 305 405 505 605 705 溫度 /℃ 電導率/Ω1 cm1 有 LSM 無 LSM 畢業(yè) (設計 )論文 第 16 頁 16 4. 實驗總結與展望 本文采用等離子噴涂工藝，制備了 La (LSM) 金屬連接板保護涂層，系統(tǒng)分析了噴涂工藝對 LSM涂層 的性能 影響，探索了增強涂層與金屬基體結合性能的措施。 (2)為了提高 LSM薄膜同基體 SUS430鐵素體不銹鋼之間的結合強度，在噴涂 LSM之前，噴涂 NiCr20粘結底層。對于有 LSM涂層的連 接板，其最打電導率為 cm1(約 400℃ 時 )。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的超音速等離子噴涂和反應等離子噴涂、微束等離子噴涂等。在一系列的技術領域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術 領 畢業(yè) (設計 )論文 第 17 頁 17 域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經引起越來越多的工業(yè)部門的重系列的技術領域里，等離子涂層所顯示的獨特優(yōu)越性已經引起越來越多的工業(yè)部門的重視，故在航空、冶金、機械、機車車輛等部門得到廣泛的應用。 針對噴涂粉末和等離子噴涂處理過程進行數學分析和計算機模擬并對其實行智能化控制。近年來隨著計算機技術的進步，對等離子噴涂過程和涂層的計算 機模擬也有較大的發(fā)展。此外，有關送粉量的精確控制、薄膜中導通孔隙測定等許多問題有待進一步的研究。鑒于其高能量轉換效率、操作方便、對環(huán)境低污染的特點，近半個世紀來特別是近十年來世界各國普遍重視并大力投入研制開發(fā)。 (2)燃料使用面廣。 (4)無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題，能量轉化效率高，是目前燃料電池研 究中的熱點。 (1)具有良好的高溫導電性。 (3)材料要致密。 (5)要有很好的熱導率。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 等離子噴涂是一種高能加工工藝，既可用于零件表面強化，又可 近凈成形直接制造零件。 畢業(yè) (設計 )論文 第 26 頁 26 展 望 我國對 SOFC的研究還處于起步階段，科研水平和經費投入與國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 、運行溫 度1000。用 LaCrO3 基陶瓷作連接材料的制作成本太高，這嚴重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化的進程。 (2)為正在研究的合金材料開發(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空氣等離子噴涂 (APS)(LSM20) 和La (LSF20)保護性涂層來降低合金的氧化生長速率，尤其是減少 Cr203相的生長。 關鍵詞 ：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)展起源于陽極（氧化極）保護層平板式結構的 SOFC（固體氧化物燃料電池）的發(fā)現，這種結構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℃ 空氣中進行了熱震實驗，經 50次循環(huán)， LSM20和 LSF20涂層合金十分穩(wěn)定，而 SUS430合金氧化層表現出明顯地剝落和失重現象。 (4)改善電池堆結構和電池其它部件的性能，降低電池的運行溫度。未來對連接材料的研究重點應在以下幾個 方面： (1)開發(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性能，同時，在 SOFC長期運行過程中， Cr2O3在電極及連接體界面沉積，并進一步與電極反應生成 CrMnO4和 SrCrO4等尖晶石結構化合物，并在電極與電解質界面的沉積，這將使得濃度極化和電化學極化程度加大，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，同時水蒸氣也是燃料電池反應的產物。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)要有很好的高溫機械強度，尤其對于平板式電池來說這一點更為重要，因為電池在運行時各個部件都要承受一定的重量。 (4)在工作溫度范圍內，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 陶瓷的主要缺點是燒結性能較差，通常需要在 1600 ℃ 以上燒結成瓷，而且陶瓷材料的機械加工性能較差 ，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決定了它在許多領域有著廣泛的應用前景。 (3)余熱利用價值高。 SOFC突出的優(yōu)點主要表現在： (1)發(fā)電效率高，能量密度大。一 xMxO，的電性能研究 [J]．吉林大學自然科學學報， 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．制備工藝對球形氫氧化鎳結構和性能的影響 ．電源技術， l999， 23(3)： 67—69．