[发明专利]3D打印制备无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆的方法

说明书

本发明属于固体氧化物燃料电池堆技术领域，具体涉及一种3D打印制备无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆的方法。该方法以阴极陶瓷粉体与光敏树脂的混合浆料为原料，利用3D打印制备立体通道蜂窝型阴极支撑基体；采用浸渍法得到阴极支撑固体氧化物燃料电池，按阴极‑阳极‑阴极的方式有效接触对接密封，串联后形成无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆。本发明无需寻找合适匹配的连接体材料，避免了电池堆在热循环过程中，因各材料热膨胀系数不匹配使得各材料剥离甚至开裂，导致电池堆稳定性差，电性能严重下降的状况；不仅有利于减小电池堆空间，而且提高了单位体积功率密度，保证了电池堆较高的电性能和长期稳定性。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池堆技术领域，具体涉及一种3D打印制备无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆的方法。

背景技术

随着全球经济总量的不断提高，传统的燃烧化石燃料提供动力的方式给环境造成了巨大的压力，而固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以避开燃烧过程、不受卡诺循环限制而直接把燃料内的化学能转化为电能的设备，与燃气轮机联合发电，发电效率高达70％，且余热质量高，若再合理利用余热，其热效率可达80％以上。SOFC具有高效率和低排放的优势，属于与环境兼容的新能源技术。

SOFC根据结构设计可分为自支撑结构和外支撑结构。自支撑可分为阴极支撑、电解质支撑和阳极支撑结构。高温SOFC多采用电解质支撑，而中低温SOFC更倾向于电解质薄膜化，采用阳极或阴极支撑结构。SOFC按装置形状可分为平板状和管式、微管式三种类型，平板式SOFC的优点是电池结构及制备工艺简单，成本低；电流通过连接体的路径短，电池输出功率密度较高，性能好；但其髙温无机密封较困难，导致热循环性能较差，影响平板式SOFC的长期工作稳定性。管式和微管式SOFC相对于平板式SOFC的最大优势是单管组装简单，无需高温密封，可依赖自身结构分隔燃料气和氧化气在管的内外，且易于以串联或并联的方式将各单管电池组装成大规模的燃料电池系统，在机械应力和热应力方面也比较稳定。一般SOFC单电池在工作时电压仅有0.7V左右，而电流可达数安培，所以在实际应用中需将多个单电池进行串并联组成电池堆以提高输出电压和输出功率。

传统的平板式SOFC堆单元由阳极、电解质、阴极形成三层平板式的结构，然后将双面刻有气道的连接板置于两个三层板之间，构成串联电堆结构，燃料气和氧化气垂直交叉从连接板上下两个面的气道中分别流过；管式SOFC堆也是由连接体隔开形成气体通道。连接体保障了相邻两个单电池之间的电路畅通，并分隔燃料及空气，也起到了传导热量的作用，但连接体材料要求化学稳定性好，与其他组件的热匹配性好且机械性能高。若可以制备无连接体SOFC电池堆，不仅可以减小电池堆空间，提高单位体积功率密度，同时也免去了寻找合适匹配的连接体材料的烦恼。

中国专利CN201608235U公开一种微管状陶瓷膜燃料单电池堆，包括数个微管状陶瓷膜燃料单电池以及各电池之间的金属电连接装置；所述的每个微管状陶瓷膜燃料单电池包括有中心导电棒，中心导电棒环壁固定有数个陶瓷膜燃料单电池微管；所述的陶瓷膜燃料单电池微管包括3层，环状外层非支撑体电极、环状内层支撑体电极、以及非支撑体电极和支撑体电极之间的环状电解质层；所述的中心导电棒与金属电连接装置将各微管状陶瓷膜燃料单电池的两个电极并联，构成电池堆。具有制备简单、结构强度高，启动加热速度快、电流导出快的优点。但是此结构用中心导电棒固定单电池，使得传质效率降低，因此电池输出性能偏低。此外将单根电池组装的过程中要采用一定的技术手段进行粘结、固定、密封而成堆，这些技术耗时费力，成本高昂，批次性能不稳定，人工依赖性强，不利于固体氧化物燃料电池的工业化。