通过水基胶带铸造方法制备层状不锈钢410S多孔支撑体：一种适用于金属硫化物燃料电池（MS-SOFCs）的可扩展制备工艺

《ACS Omega》：Engineering Lamellar Stainless Steel 410S Porous Supports via a Water-Based Tape Casting Method: A Scalable Path for MS-SOFCs

水基压膜工艺制备410S不锈钢多孔支撑体，优化悬浮液配方（含聚丙烯酸铵分散剂、聚乙烯醇粘合剂、聚丙烯酸增塑剂及碳黑孔隙剂），通过流变学调控实现柔性绿色膜带。研究证实氩气烧结可有效抑制晶界铬碳化（平均电阻率2.45Ω·cm，H?渗透率5.85-8.36×10?12m2），解决传统陶瓷支撑易碎、热循环不匹配及气体扩散效率低的问题。

　　金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFCs）因其机械强度高、热循环响应快以及能够使用多种燃料（如碳氢化合物和生物燃料）而受到越来越多的关注。这些特性使得MS-SOFCs成为提升能源转换设备性能的重要方向。然而，MS-SOFCs的关键组件——多孔金属支撑体（PMSs）的制造仍面临诸多挑战，如氧化耐受性、热膨胀系数（CTE）不匹配、气体扩散问题以及合成的可重复性等。本研究通过一种可重复的水基涂布方法，使用商业化的410S不锈钢粉末成功制备了PMSs。选择410S不锈钢是因为其CTE在100–538 °C范围内与MS-SOFC陶瓷层组件具有良好的匹配性，同时其11.5–14.5%的铬含量有助于提升抗腐蚀能力。

在PMSs的制备过程中，优化的浆料配方包含经过精心设计的水溶性粘结剂和增塑剂，从而确保了柔性且无缺陷的绿色带（green tapes）。流变学表征显示，浆料表现出假塑性和触变性，且在剪切后具有高达91.5%的恢复率，这保证了在涂布过程中的稳定性。通过热重分析（TGA）确定了脱粘结（debinding）曲线，以防止结构损伤。烧结则在空气和氩气气氛中进行，其中氩气烧结有效保留了金属结构和铬含量，而空气烧结则导致严重的氧化和相态不稳定。为了防止在烧结过程中因Al₂O₃污染，采用了预烧结的ZrO₂非粘性粗粉末作为烧结助剂。烧结后的PMSs表现出良好的层状微观结构和独特的相互连通孔隙，这些特性对于确保MS-SOFC中的气体渗透至关重要。对PMSs的氢气渗透性进行了测试，结果显示其渗透率在5.85到8.36 × 10^–12 m²之间。此外，PMSs的平均电阻率为2.45 ± 0.28 Ω·cm。该过程为PMSs的制造路径提供了重要的解决方案，使其能够更好地集成到下一代SOFC架构中。

作为SOFC的一种，固体氧化物燃料电池（SOFCs）在高温下能够将化学能高效地转化为电能，同时对环境影响较小。它们能够使用多种燃料，包括氢气和各种碳氢化合物，这使其在固定和移动能源应用中都具有吸引力。然而，传统的陶瓷支撑SOFCs存在一些固有的局限性，如脆性、启动时间长和制造成本高，这些限制了其规模化和广泛应用。为了解决这些问题，MS-SOFCs被提出作为一种更具机械和经济优势的替代方案。通过将脆性的陶瓷支架替换为金属支撑，如铁素体不锈钢或镍基合金，MS-SOFCs不仅提高了机械强度和热响应速度，还降低了生产成本。这些优势对于动态应用，如交通运输领域尤为重要。研究者如Tucker等指出，金属支架的使用提高了制造的可行性，并使系统集成更加灵活。此外，诸如多孔镍铁合金支撑的创新技术还改善了氧化稳定性及不同层之间的CTE匹配。

在众多PMSs制造方法中，涂布法因其简单性、灵活性和经济性而脱颖而出。与单轴压和等静压等技术相比，涂布法是一种粉末冶金成型技术，可以对支撑体的厚度、孔隙率和成分进行精细控制，特别适合于大规模生产中制造均匀且薄的PMSs。涂布过程包括将精心调配的浆料涂布在聚合物基底上，然后进行干燥和烧结。近年来，浆料配方的改进，特别是在流变性、分散稳定性、有机添加剂的调节以及优化的热处理曲线方面，显著提升了PMSs的结构质量和功能性能。因此，涂布法已成为制造MS-SOFCs用PMSs的领先候选方案。

然而，涂布法在制造PMSs时仍然面临关键挑战。例如，实现均匀的带厚和控制烧结后的孔隙率是至关重要的，但也是困难的。常见的缺陷如裂纹、剥离和变形可能在干燥、脱粘结或热处理过程中出现，这会损害PMSs的机械性能和可重复性。此外，PMSs与后续电极层之间的强粘附性对于长期稳定性至关重要，但常常受到残余应力或界面不匹配的阻碍。因此，优化浆料组成以平衡金属含量、粘结剂和孔隙结构，确保电化学性能和机械强度，需要细致的配方设计和过程控制。

本研究提出了一种可重复且可扩展的水基涂布方法，用于制造适用于MS-SOFCs的PMSs。通过选择410S不锈钢粉末，该方法充分利用了其CTE与陶瓷层组件的良好匹配性，以及其较高的铬含量所带来的抗腐蚀优势。浆料配方经过优化，特别是粘结剂和增塑剂的浓度，从而得到了具有良好柔韧性和无明显缺陷的绿色带。流变学表征显示，浆料表现出假塑性和触变性，并且在剪切后具有良好的恢复能力，这确保了其在涂布过程中的稳定性。烧结过程在空气和氩气气氛中进行，其中氩气烧结有效避免了金属结构的氧化和铬含量的损失，而空气烧结则会导致严重的氧化和相态不稳定。为防止在烧结过程中因Al₂O₃污染，采用了预烧结的ZrO₂非粘性粗粉末作为烧结助剂。烧结后的PMSs呈现出良好的层状微观结构和高孔隙率（66.5%），这有助于气体扩散并确保其在SOFC运行中的性能。

在实验过程中，我们采用了多种表征技术来评估PMSs的微观结构和物理化学性质。通过扫描电子显微镜（SEM）分析了PMSs的表面和断口结构，揭示了其层状微观结构和相互连通的孔隙分布。X射线衍射（XRD）用于研究PMSs的相组成和晶体结构，结果显示在氩气气氛中烧结的样品主要保留了α-Fe(Cr)相，而空气烧结的样品则出现了显著的氧化现象，形成了Fe₂O₃和Cr₂O₃等氧化物。粒子大小分布通过激光衍射分析，结果显示SS 410S粉末的粒径主要分布在15–75 μm之间，且分布较窄，有利于稳定的涂布行为和均匀的烧结微观结构。比表面积通过氮气吸附-脱附等温线测定，结果显示SS 410S粉末的比表面积约为1.2 m² g^–1，这与文献报道相符。热重分析（TGA）用于确定有机添加剂的热分解曲线，从而定义了最佳的脱粘结步骤。通过优化烧结参数，如加热速率和停留时间，确保了PMSs的结构完整性和均匀性。

为了进一步优化PMSs的性能，我们还对不同烧结条件下的样品进行了机械性能测试和气体渗透性测试。机械测试显示，氩气烧结的PMSs具有更高的弹性极限和延展性，这表明其在烧结过程中保持了较好的结构完整性。而空气烧结的样品则表现出脆性，容易发生断裂。气体渗透性测试结果表明，SS 410S PMSs的氢气渗透率在5.85到8.36 × 10^–12 m²之间，远高于文献中报道的其他金属支撑材料。这一结果归因于其高孔隙率和良好的气体扩散能力。此外，PMSs的电阻率也表现出优异的性能，平均值为2.45 ± 0.28 Ω·cm，这表明其具有良好的电导性能。

本研究的成果不仅为MS-SOFCs的PMSs制造提供了一种新的方法，还填补了文献中对PMSs的物理化学特性研究的空白。通过结合材料选择、流变学控制和气氛工程，我们克服了PMSs制造过程中的关键挑战。所提出的工艺在制造过程的各个阶段都表现出良好的可重复性和稳定性，使得PMSs能够更好地集成到SOFC系统中。此外，该方法在环保、安全性和经济性方面也具有显著优势，因为它采用水作为溶剂，避免了有毒或易燃有机溶剂的使用。未来，该研究可以进一步拓展到完整的MS-SOFC系统集成、长期稳定性和电化学性能的测试，以推动这项技术在实际应用中的发展。