[发明专利]一种基于3D打印构造立体结构的固体氧化物燃料电池的制备方法

说明书

一种基于3D打印构造立体结构的固体氧化物燃料电池的制备方法，属于燃料电池领域。该方法以3D建模后打印的模具为基础，采用流延法、涂覆法或喷涂法等将电解质浆料充分覆盖在模具表面，复刻立体结构。通过高温烧结去除模具和致密电解质，再依次添加阳极、阴极浆料，并分别烧结，最终形成固体氧化物燃料电池单电池。本发明旨在增加电极与电解质接触表面，从而扩大电化学反应区域的活性面积，提高了电池的高效稳定运行，同时电池的支撑形式灵活，可以为电极支撑或者电解质支撑，模具的灵活性保证了立体结构的多样性，为固体氧化物燃料电池提供了新的思路和探索空间。

技术领域

本发明涉及一种基于3D打印构造立体结构的固体氧化物燃料电池的制备方法，属于燃料电池领域。

背景技术

人类对能源的利用方式是社会文明进步的重要标志。从十九世纪40年代进行的电解实验到90年代燃料电池概念的提出，再到二十世纪50年代阿波罗登月飞船的应用，燃料电池的价值随着科学技术的进步正在逐渐被人们所发现，广泛应用于大型电站、储备电源、供热供暖和交通设备等领域。

燃料电池是一种能直接将化学能转化为电能的发电装置。该装置反应过程不受传统热机卡诺循环的限制，高效清洁，在当前的能源结构中更满足社会发展的经济、清洁、高效等要求。其中，固体氧化物燃料电池( Solid Oxide Fuel Cell ,简称 SOFC)作为燃料电池的第三代产品，在兼顾燃料电池的高效节能、安全可靠、环境友好和燃料多样化等优点以外，还因为具有全固态结构、高电化学性能、安装维护便捷性和催化剂成本低等特点备受国家、企业和科研机构的青睐。尤其在能源需求大幅增长、能源安全刻不容缓的背景下，SOFC受到越来越多的关注。

SOFC单体的主要组成部分是阳极、电解质和阴极。过去的研究主要集中在：改变电极、电解质的材料，以求达到更好的离子或者电子的传导率和适应不同的燃料及工作温度；或者采用不同的材料制备方法，制备粒径尺寸达到微米、纳米级的电极材料，改善电极的微观结构，或者薄膜化材料。这样的目的是对电池极化电阻或者电解质电阻的改善。考虑到已有研究表明电极与电解质的接触界面对整个单元的发电性能具有重要的影响，所以在满足薄膜化的条件下，改善接触表面的质量也能有效改善电池的工作性能。

专利号200610080597.0介绍了一种固体氧化物燃料电池阴极支撑半电池的制备方法：采用将轧膜机分别滚压的LSM层和YSZ层二次共压形成复合双层阴极基体膜，在基体膜上反复涂覆多层YSZ浆料后烧结得到阴极支撑半电池。

专利号CN109346752A公布了一种固体氧化物燃料电池电解质薄膜的制备方法：先使用混合有色物质的基底材料压制成片状作为模板，再将电解质粉体共压成型得到生坯，烘干淬冷去除基底模具后，覆盖电解质粉末高温煅烧得到单层电解质。

3D打印（3D printing）又称增材制造（additive manufacturing, AM）技术，被认为是近些年来对制造业发展影响巨大的第三次工业革命成果。近些年来3D打印行业发展迅速，已经广泛应用于设计制造、艺术建筑、工业军事和医学等领域。其中尤其在模具制造方面，3D打印能直接将计算机绘制的三维模型输出为实体模具，精度较高，低留灰烬，具备替代传统铸造蜡模原型，省去了开发模具的成本，适合于产品开发、复杂设计。

专利号CN109192995A介绍了一种固体氧化物燃料电池的电极制备方法：通过喷墨3D多次打印，将电极墨水打印在压片制作的电解质基体上，干燥后烧结得到固体氧化物燃料电池。但该专利不涉及扩大电化学反应区域的活性面积。

专利号CN108615909介绍了电解质支撑的电池电堆的方法：通过3D打印蜂窝状的电解质支撑基体，在通道内沉积电极层，得到不需要连接体的固体氧化物燃料电池电堆。该专利没有涉及具体的改善单电池的结构，提高单电池的性能。