[發(fā)明專利]3D打印制備無連接體電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池堆的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810364499.2
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108615909B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張津津;楊乃濤;于方永;孟秀霞;魏魯陽;孟波
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: H01M8/0273
• 分類號: H01M8/0273;H01M8/2404;H01M8/2475;B28B1/00
• 代理公司: 淄博啟智達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 37280
• 代理人: 王燕

本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池堆技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D打印制備無連接體電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池堆的方法。該方法以電解質(zhì)陶瓷粉體與光敏樹脂的混合漿料為原料，利用3D打印制備立體通道蜂窩型電解質(zhì)支撐基體；采用浸漬法得到電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池，按照陰極?陽極?陰極的方式有效接觸對接密封，串聯(lián)后形成無連接體電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池堆。本發(fā)明在多塊電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池串聯(lián)時，不需要連接體連接，不僅減小了電池堆空間，提高單位體積功率密度，簡化工序，也保證了電池堆較高的電性能和長期穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固體氧化物燃料電池堆技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種3D打印制備無連接體電解質(zhì)支撐固體氧化物燃料電池堆的方法。

背景技術(shù)

隨著全球經(jīng)濟總量的不斷提高，傳統(tǒng)的燃燒化石燃料提供動力的方式給環(huán)境造成了巨大的壓力，而固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種可以避開燃燒過程、不受卡諾循環(huán)限制而直接把燃料內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，與燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電，發(fā)電效率高達(dá)70％，且余熱質(zhì)量高，若再合理利用余熱，其熱效率可達(dá)80％以上。SOFC具有高效率和低排放的優(yōu)勢，屬于與環(huán)境兼容的新能源技術(shù)。

SOFC根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計可分為自支撐結(jié)構(gòu)和外支撐結(jié)構(gòu)。自支撐可分為陰極支撐、電解質(zhì)支撐和陽極支撐結(jié)構(gòu)。高溫SOFC多采用電解質(zhì)支撐，而中低溫SOFC更傾向于電解質(zhì)薄膜化，采用陽極或陰極支撐結(jié)構(gòu)。SOFC按裝置形狀可分為平板狀和管式、微管式三種類型，平板式SOFC的優(yōu)點是電池結(jié)構(gòu)及制備工藝簡單，成本低；電流通過連接體的路徑短，電池輸出功率密度較高，性能好；但其髙溫?zé)o機密封較困難，導(dǎo)致熱循環(huán)性能較差，影響平板式SOFC的長期工作穩(wěn)定性。管式和微管式SOFC相對于平板式SOFC的最大優(yōu)勢是單管組裝簡單，無需高溫密封，可依賴自身結(jié)構(gòu)分隔燃料氣和氧化氣在管的內(nèi)外，且易于以串聯(lián)或并聯(lián)的方式將各單管電池組裝成大規(guī)模的燃料電池系統(tǒng)，在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力方面也比較穩(wěn)定。一般SOFC單電池在工作時電壓僅有0.7V左右，而電流可達(dá)數(shù)安培，所以在實際應(yīng)用中需將多個單電池進(jìn)行串并聯(lián)組成電池堆以提高輸出電壓和輸出功率。

傳統(tǒng)的平板式SOFC堆單元由陽極、電解質(zhì)、陰極形成三層平板式的結(jié)構(gòu)，然后將雙面刻有氣道的連接板置于兩個三層板之間，構(gòu)成串聯(lián)電堆結(jié)構(gòu)，燃料氣和氧化氣垂直交叉從連接板上下兩個面的氣道中分別流過；管式SOFC堆也是由連接體隔開形成氣體通道。連接體保障了相鄰兩個單電池之間的電路暢通，并分隔燃料及空氣，也起到了傳導(dǎo)熱量的作用，但連接體材料要求化學(xué)穩(wěn)定性好，與其他組件的熱匹配性好且機械性能高。若可以制備無連接體SOFC電池堆，不僅可以減小電池堆空間，提高單位體積功率密度，同時也免去了尋找合適匹配的連接體材料的煩惱。

中國專利CN201608235U公開一種微管狀陶瓷膜燃料單電池堆，包括數(shù)個微管狀陶瓷膜燃料單電池以及各電池之間的金屬電連接裝置；所述的每個微管狀陶瓷膜燃料單電池包括有中心導(dǎo)電棒，中心導(dǎo)電棒環(huán)壁固定有數(shù)個陶瓷膜燃料單電池微管；所述的陶瓷膜燃料單電池微管包括3層，環(huán)狀外層非支撐體電極、環(huán)狀內(nèi)層支撐體電極、以及非支撐體電極和支撐體電極之間的環(huán)狀電解質(zhì)層；所述的中心導(dǎo)電棒與金屬電連接裝置將各微管狀陶瓷膜燃料單電池的兩個電極并聯(lián)，構(gòu)成電池堆。具有制備簡單、結(jié)構(gòu)強度高，啟動加熱速度快、電流導(dǎo)出快的優(yōu)點。但是此結(jié)構(gòu)用中心導(dǎo)電棒固定單電池，使得傳質(zhì)效率降低，因此電池輸出性能偏低。此外將單根電池組裝的過程中要采用一定的技術(shù)手段進(jìn)行粘結(jié)、固定、密封而成堆，這些技術(shù)耗時費力，成本高昂，批次性能不穩(wěn)定，人工依賴性強，不利于固體氧化物燃料電池的工業(yè)化。