[发明专利]具有三维拓扑结构的固体电解质支撑氧化物燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于光固化3D打印成型技术的具有三维拓扑结构的电解质支撑固体氧化物燃料电池，本发明采用光固化3D打印技术，具有打印速度快，成型精度高，打印分辨率高，打印产品表面粗糙度低的优点。本发明主要有如下五个步骤：制备陶瓷光固化树脂浆料；利用三周期极小化曲面法(TPMS)设计具有三维拓扑结构的三维模型；光固化3D打印陶瓷坯体；陶瓷坯体进行脱脂烧结；电极材料的填充。本发明制备的具有三维拓扑结构的电解质支撑固化燃料电池大幅增加了电解质‑电极有效接触面的面积，提高了单位体积功率密度；并具有相互独立的高连通性孔道结构，便于反应气体的排出。结合上述两方面优点，本发明产品将极大改善固体氧化物燃料电池的发电效率。

技术领域

本发明属于固体燃料电池技术领域，具体涉及一种具有三维拓扑结构的固体电解质支撑氧化物燃料电池及其制备方法。

背景技术

在我国，长期以来发电能源构成是以煤为主。如今，中国煤电在发电总量中的比例约在75％左右。随着其他各种资源的进一步开发利用和核电的发展，煤电的发电量比例虽然有所下降，但预计未来五到十年内，煤电的发电量仍然会占据我国发电能源构成总量中的70％以上。大量的燃煤发电供热，将会带来环境环保的沉重负担。煤炭火力发电过程中产生的尘粒、灰渣、烟气会污染空气，产生的废水、废液对水资源造成极大的威胁。并且火力发电的能源转化率低下，能源浪费严重。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

固态氧化物燃料电池被称为第三代燃料电池，电解质为固态、无空隙的金属氧化物，由氧离子在晶体中穿梭送达离子。固体氧化物燃料电池的电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化学位梯度，在该化学位梯度的作用下，在阴极获得电子的氧离子经固体电解质向阳极运动，在阳极释放出电子，从而在两极形成电压。

虽然固体氧化物燃料电池具有很多吸引人的优势，传统工艺制备但是它的传统制造工艺繁复，一般需要上百个步骤，其中，封装过程复杂，是制约着SOFC发电系统大规模应用的技术关键。而3D打印技术的引入可减少封装过程，对于固体氧化物燃料电池的应用大有裨益。另外，功率密度低是其中一个重要的限制。过去的几十年来，燃料电池的功率虽然有所发展，但是若想希望其在便携式电子领域和汽车领域具有竞争力，功率密度还需要进一步提高。

具有三维拓扑结构的固体电解质，大幅提高三相反应区面积，有利于提高单位时间内跃迁的氧离子的数量，提高燃料电池的功率密度。并且通过这种拓扑优化设计的轻质多孔结构具有高比强度、高强度和刚性等特性，在固体燃料电池另有具有广阔的应用前景。

3D打印技术，又称增材制造，其具有操作简单、成型速度快、精度高等优点。随着3D打印技术的不断发展，已经逐步应用在制造行业的各个领域。3D打印陶瓷材料，结合较为先进的烧结技术，制备出高精度、高强度的陶瓷零件，相比于传统的制备工艺，会显著降低加工成本、缩短生产周期、节省原材料，并能制造出内部结构十分复杂产品。3D打印技术的出现为制造形状复杂构件提供了可能性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有固体燃料电池电解质三相反应区较小的缺点，提供一种具有三维拓扑结构的电解质支撑固体燃料电池及其制备方法。