在制备多孔金属支撑固体氧化物燃料电池（SOFC）的陶瓷电解质过程中，等离子喷涂技术的应用潜力因其无需高温烧结工艺而备受瞩目。然而，通过等离子喷涂实现高密度电解质的挑战仍有待解决。本研究开发了一种用于多孔金属支撑 SOFC（PMS-SOFC）的新型电解质。这包括在大气条件下使用等离子喷涂技术制备高密度结构的钆掺钆铈（GDC）-镧锶镓镁（LSGM）复合涂层。复合电解质采用大气等离子喷涂（APS）技术制备。低熔点 LSGM 相的加入增强了基于 GDC 的复合涂层的微结构致密性，减少了还原气氛中的电子损耗，从而提高了电池的开路电压。在 36 kW 等离子弧功率下，使用复合电解质的单电池在 750°C 时的最大功率密度为 371 mw/cm²，在 600°C 时达到了最高的开路电压（1.03 V）。此外，开路电压在 100 小时的测试中保持稳定。这些研究结果表明，使用 APS 沉积添加了低熔相的复合电解质，是在基于氧化铈电解质的 PMS-SOFC 中实现相对较高开路电压的一种可行方法。

在本研究中，我们提出了利用大气等离子喷涂（APS）低温制备多孔金属支撑固体氧化物燃料电池（PMS-SOFCs）复合电解质的方法。主要重点是用镧锶镓镁氧化物（LSGM）作为第二相材料增强掺钆铈（GDC）涂层。这种方法旨在创造一种高致密的电解质涂层，从而提高单电池的开路电压（OCV）。为了获得全面的理解，我们研究了复合电解质的沉积行为，分析了涂层的微观结构特征，并评估了单电池在不同等离子弧功率下的性能。为此，我们在两种材料的物理性质和由此产生的涂层微观结构特征之间建立了关联，并通过 SEM 和 EIS 分析对此进行了探讨。

根据这项研究的结果，在350℃的相对较低的沉积温度下，使用APS沉积由Gd0.1Ce0.9O2-θ（GDC）和La0.85Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.8（LSGM）组成的复合电解质涂层的沉积已经成功证明。复合涂层中GDC与LSGM的重量比保持在6:4。LSGM相的结合显著增加了GDC涂层的密度，导致双相涂层中的裂纹和非粘结界面减少。断裂表面分析揭示了一种体状的断裂结构，表明在喷涂的GL64电解质涂层中粘结良好的片状物。在测试的不同电弧功率（30千瓦、36千瓦和42千瓦）中，沉积在36千瓦时的涂层表现出最低的视孔隙率为1.33%。复合电解质涂层的微观结构致密化与表观孔隙度和电弧功率没有线性关系。发现过多的电弧功率不利于复合涂层。值得注意的是，在36千瓦电弧功率下沉积的复合电解质涂层在600℃时实现了1.03V的显著开路电压（OCV）。此外，在750℃时获得了371 mW/cm2的最大输出功率密度，观察到的OCV在650℃的105小时运行中没有降解。这些结果凸显了使用APS沉积具有低熔点二相的复合电解质的潜力，为在低温下在多孔金属支持的固体氧化物燃料电池（PMS-SOC）中实现高OCV提供了一种有前途的方法。

该论文“Breakthrough in Atmospheric Plasma Spraying of High-Density Composite Electrolytes: Deposition Behavior and Performance of Plasma-Sprayed GDC-LSGM on Porous Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cells”在International Journal of Hydrogen Energy在线发表，论文第一作者为陈耔玚，通讯作者为李成新教授。

论文引用格式：Chen Z-Y, Li C-X, et al. Breakthrough in Atmospheric Plasma Spraying of High-Density Composite Electrolytes: Deposition Behavior and Performance of Plasma-Sprayed GDC-LSGM on Porous Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cells [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2024。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.05.346