[發(fā)明專利]一種基于3D打印構(gòu)造立體結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910960052.6
• 申請(qǐng)日: 2019-10-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110690461A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-01-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 由宏新;王強(qiáng);劉召;賈松青;魏志浩;李帥帥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M8/1016
• 代理公司: 21208 大連星海專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 花向陽(yáng);楊翠翠

一種基于3D打印構(gòu)造立體結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池的制備方法，屬于燃料電池領(lǐng)域。該方法以3D建模后打印的模具為基礎(chǔ)，采用流延法、涂覆法或噴涂法等將電解質(zhì)漿料充分覆蓋在模具表面，復(fù)刻立體結(jié)構(gòu)。通過(guò)高溫?zé)Y(jié)去除模具和致密電解質(zhì)，再依次添加陽(yáng)極、陰極漿料，并分別燒結(jié)，最終形成固體氧化物燃料電池單電池。本發(fā)明旨在增加電極與電解質(zhì)接觸表面，從而擴(kuò)大電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的活性面積，提高了電池的高效穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)電池的支撐形式靈活，可以為電極支撐或者電解質(zhì)支撐，模具的靈活性保證了立體結(jié)構(gòu)的多樣性，為固體氧化物燃料電池提供了新的思路和探索空間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于3D打印構(gòu)造立體結(jié)構(gòu)的固體氧化物燃料電池的制備方法，屬于燃料電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

人類對(duì)能源的利用方式是社會(huì)文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。從十九世紀(jì)40年代進(jìn)行的電解實(shí)驗(yàn)到90年代燃料電池概念的提出，再到二十世紀(jì)50年代阿波羅登月飛船的應(yīng)用，燃料電池的價(jià)值隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步正在逐漸被人們所發(fā)現(xiàn)，廣泛應(yīng)用于大型電站、儲(chǔ)備電源、供熱供暖和交通設(shè)備等領(lǐng)域。

燃料電池是一種能直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。該裝置反應(yīng)過(guò)程不受傳統(tǒng)熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，高效清潔，在當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)中更滿足社會(huì)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、清潔、高效等要求。其中，固體氧化物燃料電池( Solid Oxide Fuel Cell ,簡(jiǎn)稱 SOFC)作為燃料電池的第三代產(chǎn)品，在兼顧燃料電池的高效節(jié)能、安全可靠、環(huán)境友好和燃料多樣化等優(yōu)點(diǎn)以外，還因?yàn)榫哂腥虘B(tài)結(jié)構(gòu)、高電化學(xué)性能、安裝維護(hù)便捷性和催化劑成本低等特點(diǎn)備受國(guó)家、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的青睞。尤其在能源需求大幅增長(zhǎng)、能源安全刻不容緩的背景下，SOFC受到越來(lái)越多的關(guān)注。

SOFC單體的主要組成部分是陽(yáng)極、電解質(zhì)和陰極。過(guò)去的研究主要集中在：改變電極、電解質(zhì)的材料，以求達(dá)到更好的離子或者電子的傳導(dǎo)率和適應(yīng)不同的燃料及工作溫度；或者采用不同的材料制備方法，制備粒徑尺寸達(dá)到微米、納米級(jí)的電極材料，改善電極的微觀結(jié)構(gòu)，或者薄膜化材料。這樣的目的是對(duì)電池極化電阻或者電解質(zhì)電阻的改善。考慮到已有研究表明電極與電解質(zhì)的接觸界面對(duì)整個(gè)單元的發(fā)電性能具有重要的影響，所以在滿足薄膜化的條件下，改善接觸表面的質(zhì)量也能有效改善電池的工作性能。

專利號(hào)200610080597.0介紹了一種固體氧化物燃料電池陰極支撐半電池的制備方法：采用將軋膜機(jī)分別滾壓的LSM層和YSZ層二次共壓形成復(fù)合雙層陰極基體膜，在基體膜上反復(fù)涂覆多層YSZ漿料后燒結(jié)得到陰極支撐半電池。

專利號(hào)CN109346752A公布了一種固體氧化物燃料電池電解質(zhì)薄膜的制備方法：先使用混合有色物質(zhì)的基底材料壓制成片狀作為模板，再將電解質(zhì)粉體共壓成型得到生坯，烘干淬冷去除基底模具后，覆蓋電解質(zhì)粉末高溫煅燒得到單層電解質(zhì)。

3D打印（3D printing）又稱增材制造（additive manufacturing, AM）技術(shù)，被認(rèn)為是近些年來(lái)對(duì)制造業(yè)發(fā)展影響巨大的第三次工業(yè)革命成果。近些年來(lái)3D打印行業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)制造、藝術(shù)建筑、工業(yè)軍事和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中尤其在模具制造方面，3D打印能直接將計(jì)算機(jī)繪制的三維模型輸出為實(shí)體模具，精度較高，低留灰燼，具備替代傳統(tǒng)鑄造蠟?zāi)Ｔ停∪チ碎_(kāi)發(fā)模具的成本，適合于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、復(fù)雜設(shè)計(jì)。

專利號(hào)CN109192995A介紹了一種固體氧化物燃料電池的電極制備方法：通過(guò)噴墨3D多次打印，將電極墨水打印在壓片制作的電解質(zhì)基體上，干燥后燒結(jié)得到固體氧化物燃料電池。但該專利不涉及擴(kuò)大電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域的活性面積。

專利號(hào)CN108615909介紹了電解質(zhì)支撐的電池電堆的方法：通過(guò)3D打印蜂窩狀的電解質(zhì)支撐基體，在通道內(nèi)沉積電極層，得到不需要連接體的固體氧化物燃料電池電堆。該專利沒(méi)有涉及具體的改善單電池的結(jié)構(gòu)，提高單電池的性能。