[发明专利]基于增材制造的金属支撑型自密封固体氧化物燃料电池/电解池及电堆

说明书

本申请提供一种基于增材制造的金属支撑型自密封固体氧化物燃料电池/电解池及电堆。通过增材制造技术一步或多步成型金属支撑框体。再通过热喷涂、流延成型、丝网印刷或者化学气相沉积方法在金属支撑框体上按需制备阳极、电解质和阴极，利用电解质的致密结构实现固体氧化物燃料电池/电解池的自密封。本申请方案可免除钻孔、焊接、封装、粉末冶金、高温烧结等传统工艺，实现固体氧化物燃料电池/电解池的结构功能一体化，提高制备效率。同时，该方案还可明显提高金属支撑固体氧化物燃料电池/电解池质量能量密度、加工精度和可靠性、降低制备成本，利于固体氧化物燃料电池/电解池商业化。

技术领域

本申请涉及电池领域，具体而言，涉及一种基于增材制造的金属支撑型自密封固体氧化物燃料电池/电解池及电堆。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种通过化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能的全固态发电装置，其热电联供时能量转化效率可达80％以上，发电过程环保且燃料适用范围广，故在分布式电站、家庭热电联供系统、便携式电源等领域具有广泛应用前景。作为SOFC的逆过程，固体氧化物燃料电解池(Solid OxideElectrolyzer Cell，简称SOEC)是将电能和热能转化为化学能的储能装置，可实现高效电解水制备氢气。若能与SOFC装置联用，实现制氢储能与耗氢发电的双重功能，将对解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。

目前全球研究热点是将SOFC工作温度由从前的800～1000℃降低到800℃以下，以减少组元材料高温反应、降低制备成本，延长电池使用寿命。这扩大了SOFC材料的选择范围，使金属支撑体在SOFC中的应用成为可能。金属支撑型SOFC是利用多孔金属作为支撑，将电池/电解池功能层阳极、电解质和阴极依次制备在其表面。与传统阳极支撑SOFC相比，金属支撑SOFC具有以下优点：

(1)金属材料的高机械强度、优良的延展性和热导性，可有效降低电池在服役过程中遭受的机械应力和热应力，提高电池运行寿命和稳定性；

(2)采用廉价金属材料如不锈钢替代陶瓷材料作为电池支撑体，可将电池/电解池功能层均做成薄膜形式，在降低SOFC制备成本的同时提高电池的输出性能；

(3)金属材料易加工，易密封，降低SOFC制备和封接难度。

然而，目前金属支撑型SOFC制备工艺一般是先分别制备多孔金属体和具有气体流道的金属连接体，然后再将多孔金属体与金属连接体拼接成金属支撑体，最后再在金属支撑体上制备电池/电解池功能层。该制备过程往往需要采用钻孔、焊接、封装、粉末冶金、高温烧结等复杂工艺，导致制备效率、加工精度和可靠性低，无法做到一步一体化灵活成型。此外，传统金属支撑型SOFC因上述制备工艺所限通常只具备单侧发电功能，难以进一步提高电池的质量能量密度。

同上所述，金属支撑型SOEC也存在类似问题。

发明内容

本申请提供了一种基于增材制造的金属支撑型自密封固体氧化物燃料电池/电解池及电堆，以部分或全部地改善、甚至解决固体氧化物燃料电池制备工艺和结构复杂的问题。

本申请是这样实现的：

在第一方面，本申请示例提供了一种固体氧化物燃料电池/电解池，包括金属支撑框体和电池/电解池功能层，金属支撑框体包括致密区和多孔区，金属支撑框体的致密区和多孔区为增材制造一体化成形，致密区具有燃料流道且不具有氧气气道。

在第二方面，本申请的示例提供了一种固体氧化物燃料电池/电解池的制作方法，制作方法包括：

采用增材制作工艺，通过一体成型制作具有复合结构的金属支撑框体，其中金属支撑框体具有叠层设置的致密区和多孔区，其中致密区具有燃料流道却不具有氧气气道(也不具有空气气道)，且燃料流道被多孔区覆盖；