[发明专利]三维打印具有立体通道蜂窝型固体氧化物燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维打印具有立体通道蜂窝型固体氧化物燃料电池的方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池是将化学能转化为电能的中高温能量转换装置，按装置形状可分为平板状、管式、微管式三种类型，按支撑体类型可分为阳极支撑、阴极支撑和电解质支撑型。其中微管式固体氧化物燃料电池具有易密封、较高的长径比、快速升降温等特点备受广泛关注，其制备方法主要是通过挤出成型法、相转化纺丝法等制备直径小于2mm的陶瓷支撑体，大大提高了固体氧化物燃料电池的表面积。

中国专利CN201608235U公开了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、内层环状支撑体电极、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。

中国专利CN103349918A和中国专利CN101456744分别公开了制备多通道陶瓷中空纤维膜和蜂窝型无机膜的方法，但制备的多通道中空纤维膜无管间流体流道，如果做成燃料电池支撑体，传质阻力将会很大，膜有效面积会大大降低。蜂窝型无机膜主要是通过挤出成型技术一步加工而成的多条微管的并联膜组件，因为孔道的壁互相连在一起，不能直接接触外部介质，这种蜂窝型多通道无机膜的每一条蜂窝孔道与外界的传质都严重地受限，只能依靠蜂窝壁的多孔性能与外界进行物质交换。因此蜂窝型无机膜的孔道不能做很多，否则造成蜂窝中心孔道的传质效率大大降低。

三维打印技术作为一种新型的材料成型技术，在制造领域中引起广泛关注。利用三维打印技术可以制备塑料型材，金属型材以及陶瓷型材等，但是真正的工业应用还没有开始，尤其是在固体氧化物燃料电池的制备领域还没有受到关注。

目前，采用三维打印具有立体通道蜂窝型固体氧化物燃料电池的方法未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维打印具有立体通道蜂窝型固体氧化物燃料电池的方法，得到的固体氧化物燃料电池体积功率密度高，传质、传热效率高，机械性能强，更容易保温和密封。

本发明所述的三维打印具有立体通道蜂窝型固体氧化物燃料电池的方法，包括以下步骤：

(1)以阳极陶瓷粉体或阴极陶瓷粉体为原料，使用三维绘图软件设计结构，利用陶瓷三维打印机输出，一步法打印制备成具有立体通道结构的蜂窝型阳极支撑体或阴极支撑体的生坯；

(2)生坯经过烧结后，获得阳极支撑体或阴极支撑体；

(3)采用乳液浸渍法，在阳极支撑体上依次沉积电解质层、阴极层形成具有立体通道的阳极蜂窝型固体氧化物燃料电池；

(4)采用乳液浸渍法，在阴极支撑体上依次沉积电解质层、阳极层形成具有立体通道的阴极蜂窝型固体氧化物燃料电池。

所述的电解质层所用的电解质材料为氧化锆基、氧化铈基或镓酸镧基中的一种或多种；氧化锆基、氧化铈基的结构为X_aY_1-aO_2-δ；其中，

X为钙、钇、钪、钐、钆、镨金属元素的一种或多种；

Y为锆、铈、铋金属元素的一种或多种；

δ为氧缺位数，0≤a≤1；

阳极陶瓷粉体、阳极材料均为Ni基-电解质材料；且电解质层所用的电解质材料与阳极陶瓷粉体、阳极材料所用的电解质材料种类相同；

阴极陶瓷粉体、阴极材料均为结构为ABO_3-δ的掺杂的钙钛矿型陶瓷、结构为A₂B₂O_5-δ的双钙钛矿型陶瓷或结构为A₂BO_4-δ的尖晶石型陶瓷中的一种或多种；其中，

A为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钙、锶、钡中的一种或多种；