2結(jié)果及分析

2.1噴涂態(tài)涂層的相結(jié)構(gòu)

圖2為等離子噴涂NiO/YSZ氫電極的XRD圖譜，可以看出氫電極中除NiO與YSZ外，還出現(xiàn)了金屬Ni相，這是由于在高溫等離子體中NiO發(fā)生了還原。從圖中可看出，隨粉末粒徑的變化，還原Ni的含量變化不大。利用K值法定量分析了還原前氫電極中Ni的含量表明，在噴涂過(guò)程中，小粉、中粉、大粉制備的氫電極中NiO還原為Ni的含量分別為9.25%、10.82%、9.97%。

圖2等離子噴涂NiO/YSZ涂層X(jué)RD分析

圖3為噴涂態(tài)NiO/YSZ電極涂層的截面組織結(jié)構(gòu)。從圖中可看出，氫電極與電解質(zhì)結(jié)合良好，其內(nèi)部NiO與YSZ分布均勻。隨粉末粒徑的增大，由于粒子熔化程度降低，氫電極孔隙率隨之增加，孔隙尺寸變大，采用圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)表明，三種涂層的表觀(guān)孔隙率分別為3.39±0.12%、4.56±0.21%與6.78±0.39%。這說(shuō)明粉末粒徑對(duì)電極沉積后的成分影響不大，但其微觀(guān)結(jié)構(gòu)影響較大。

圖3還原前NiO/YSZ涂層截面形貌：(a)小粉；(b)中粉；(c)大粉

2.3氫電極測(cè)試后微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖4為NiO/YSZ氫電極測(cè)試后的截面組織結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，經(jīng)還原測(cè)試后的氫電極呈現(xiàn)更明顯的層狀組織結(jié)構(gòu)，由于熔化部分優(yōu)先沿表面鋪展，因此氫電極與電解質(zhì)界面結(jié)合處NiO與YSZ分布均勻、界面結(jié)合良好。另一方面，完全熔化粒子將通過(guò)充分變形形成層狀結(jié)構(gòu)組織，而隨粉末粒徑的增大，因噴涂粒子的熔化程度降低，致使涂層中變形不充分的未完全熔顆粒變多。這種因較有限熔化粒子形成的結(jié)構(gòu)特征影響Ni在氫電極中的連續(xù)性，進(jìn)一步影響了其催化活性與電解池性能。等離子噴涂中，粉末粒子的尺寸對(duì)其加熱熔化特性影響顯著，粉末粒子隨粒徑的減小加熱速度顯著增加，從而熔化程度顯著改善。針對(duì)本研究所采用的三種顆粒尺寸的粉末粒子在所使用的噴涂條件下，采用小于30μm的粒子時(shí)，粒子熔化充分，因此，與電解質(zhì)的接觸良好，但孔隙率顯著降低，而采用顆粒尺寸大于50μm的粒子時(shí)，其熔化程度有限，盡管如圖3(c)所示，氫電極中的孔隙率較高，有利于氣體到的傳輸，但較差的熔化狀態(tài)致使在沉積時(shí)與電解質(zhì)的接觸與結(jié)合較差，將影響有效三相界的形成。而粒度介于30～50μm的中粉，由于熔化程度適中，不僅與電解質(zhì)的接觸質(zhì)量較高，而且部分微熔粒子沉積后增加了氫電極的微孔含量，有利于反應(yīng)氣體的輸運(yùn)，因此采用合適的粉末粒徑可以調(diào)控氫電極涂層微觀(guān)結(jié)構(gòu)，從而改善氫電極性能。

2.2電解池性能

圖5為電解池Ni/YSZ|ScSZ|LSCF的氫電極以50%H2O/50%H2為反應(yīng)氣體，氧電極暴露在空氣中的輸出性能測(cè)試結(jié)果。從圖中可看出，所有電解池的開(kāi)路電壓與理論開(kāi)路電壓值基本相同。電解池的開(kāi)路電壓(OCV)在600℃到800℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高而降低。在SOEC模式下，電池的電解電壓隨著電流密度(絕對(duì)值)增加而升高；在SOFC模式下，電池的放電電壓隨著電流密度的增加而減小。在整個(gè)測(cè)試區(qū)間，隨著溫度升高，V-I曲線(xiàn)斜率下降，單位電流密度升高所需的電解電壓減小，電解池的性能提高。當(dāng)電解電壓為1.5 V，由小粉、中粉、大粉制備的氫電極組裝的電解池在800℃時(shí)的電流密度分別為0.51 A/cm2、0.64 A/cm2、0.61 A/cm2，其他溫度下的具體數(shù)據(jù)如表2所示。因此，在一定的電解電壓下，電解電流密度隨溫度的升高而顯著升高。其中，中粉制備的電池電解電流密度最高。

圖6給出了相對(duì)應(yīng)測(cè)試條件下Ni/YSZ對(duì)稱(chēng)電池的EIS結(jié)果。高頻區(qū)實(shí)軸截距為電解質(zhì)、電極等整個(gè)電池的歐姆阻抗，阻抗弧在實(shí)軸上的截距為氫電極極化阻抗，為了更好的對(duì)比，圖中忽略歐姆阻抗而將極化阻抗歸一化給出。在800℃，小粉、中粉、大粉制備的氫電極的極化阻抗分別為0.13Ω·cm2、0.12Ω·cm2、0.15Ω·cm2；當(dāng)溫度降低到600℃時(shí)，阻抗分別增加至0.76Ω·cm2、0.48Ω·cm2、1.02Ω·cm2。考察電解池輸出性能與氫電極阻抗的關(guān)系發(fā)現(xiàn)兩者之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即隨氫電極阻抗的增加，電解性能呈下降趨勢(shì)。

圖6對(duì)電池Ni/YSZ的EIS結(jié)果：(a)小粉；(b)中粉；(c)大粉

3結(jié)論

通過(guò)研究粉末粒徑對(duì)NiO/YSZ氫電極涂層結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)粉末粒徑對(duì)APS制備的NiO/YSZ氫電極涂層的成分影響較小，但對(duì)氫電極的微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)的影響顯著，隨粉末粒徑的增加，電極中的孔隙率增加。

(2)采用粒度為30～50μm的中粉制備氫電極時(shí)，粉末粒子的熔化程度適中，熔化的NiO與還原的Ni沉積于電解質(zhì)表面改善了氫電極與電解質(zhì)的接觸狀態(tài)及連續(xù)性，而未熔化部分增加了氫電極的顯微孔隙，從而獲得了阻抗最小的氫電極，極化阻抗在800℃為0.12Ω·cm2、600℃為0.48Ω·cm2。

(3)采用NiO/YSZ造粒粉末等離子噴涂制備氫電極組裝的電解池輸出性能隨氫電極阻抗的增加而下降，其中由采用30～50mm顆粒尺寸制備的阻抗最低的氫電極在1 mm ScSZ電解質(zhì)上組裝的電解池性能最優(yōu)，在800℃下電解電壓為1.5 V時(shí)的電流密度為0.64 A/cm2。