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技术

技术编号:18915098 阅读:34 留言:0更新日期:2018-09-12 03:28
本发明专利技术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。本发明专利技术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。

3D printing method for preparing solid oxide fuel cell stack without connecting body cathode

The invention belongs to the technical field of solid oxide fuel cell stack, and in particular relates to a method for preparing a solid oxide fuel cell stack with connectionless cathode support by 3D printing. A three-dimensional channel honeycomb cathode support substrate was prepared by 3D printing using a mixture of cathode ceramic powder and photosensitive resin as raw materials, and a cathode-supported solid oxide fuel cell (SOFC) was obtained by impregnation method. The butt-joint seal was effectively contacted by cathode anode cathode, and a connectionless cathode support was formed after series connection. Solid oxide fuel cell stack. The invention does not need to find a suitable matching connector material, and avoids stripping or even cracking of each material due to the mismatch of thermal expansion coefficient of each material during the thermal cycle of the battery stack, resulting in poor stability of the battery stack and serious degradation of electrical performance; it is not only conducive to reducing the space of the battery stack, but also improves the unit volume. The power density ensures the high electrical performance and long-term stability of the battery stack.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于固体氧化物燃料电池堆
,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。
技术介绍
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。中国专利CN104521053A公开一种固体氧化物燃料电池堆,包括单电池、支撑单电池的边缘部分的电池框架、配置在电池框架的下部的连接构件、配置在电池框架与连接构件之间的密封构件以及使电池框架与连接构件之间的间隔保持均匀的衬垫构件。衬垫构件配置在电池框架与连接构件之间的区域中未被密封构件密封的区域,由云母或绝缘陶瓷形成。该专利中需要使用连接构件、密封构件及衬垫构件将单电池组装为电池堆,组装步骤多而繁杂,任何一个环节出差错都容易导致气密性变差;而且在电池堆热循环过程中还会因各材料的热膨胀系数不匹配导致各材料剥离甚至开裂,电池堆稳定性差,电性能也会严重下降。如果能直接制备电池堆,不需连接体连接单电池,不仅可以节省时间、简化工序,也可以保证电堆较高的电性能和长期稳定性。3D打印技术属于一种快速成型技术,区别于传统的铸造、锻压及机床加工,此技术的核心思想是将材料逐层沉积或叠加,最终获得数字化图纸绘制的三维立体构件,其基本原理为:数字分层-物理层积,即首先对被打印对象建立数字模型并进行数字分层,获得每层的、二维的加工路径或轨迹;然后,选择合适的材料及相应的工艺方式,在上述获得的每层、二维数字路径驱动下,逐层打印,并最终累积制造出被打印的对象。3D打印技术是一种成长式的加工方式,在工业造型、包装、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天和影视等领域得到良好的应用,但真正的工业应用还没有开始,使用3D打印制备无连接体阴极支撑SOFC电池堆更是未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种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,多块阴极支撑固体氧化物燃料电池之间通过阴极-阳极-阴极的方式有效串联,无需连接体,不仅减小了电池堆空间,提高单位体积功率密度,简化工序、节省时间,也保证了电池堆较高的电性能和长期稳定性。本专利技术所述的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,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,包括以下步骤:(1)将阴极陶瓷粉体与光敏树脂混合浆料作为原料,使用3D绘图软件设计电池堆几何构型,通过3D打印软件切片分层,利用3D打印机分层打印,一步成型制备立体通道蜂窝型阴极支撑基体素胚;(2)素胚经脱脂、烧结获得立体通道蜂窝型阴极支撑基体;(3)采用浸渍法,在立体通道蜂窝型阴极支撑基体上依次沉积电解质层、阳极层,得到阴极支撑固体氧化物燃料电池;(4)将多块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,实现多块阴极支撑固体氧化物燃料电池串联,形成无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆。其中:所述的阴极陶瓷粉体与光敏树脂的质量百分比为70:21-30。所述的阴极陶瓷粉体所用的材料为结构为ABO3-δ的掺杂的钙钛矿型陶瓷、结构为A2B2O5+δ的双钙钛矿型陶瓷、结构为A2BO4+δ的R-P型类钙钛矿型陶瓷或超导材料中的一种或多种;其中:A为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钙、锶或钡中的一种或多种;B为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铝、钇、锆、铌、钼、铪、钽、钨或铼中的一种或多种;δ为氧缺位数;所述的超导材料包括YSr2Cu2MO7+δ、YBaCo3ZnO7-δ和Ca3Co4O9-δ;其中,M为铁或钴;δ为氧缺位数;所述的电解质层所用的材料为氧化锆基氧化物、氧化铈基氧化物、氧化铋基氧化物、镓酸镧基氧化物、ABO3钙钛矿型结构电解质或通式为Ln10(MO4)6O2的磷灰石型电解质中的一种或多种;氧化锆基氧化物、氧化铈基氧化物、氧化铋基氧化物的结构为XaY1-aO2-δ;其中,X为钙、钇、钪、钐、钆或镨金属元素中的一种或多种;Y为锆、铈或铋金属元素中的一种或多种;δ为氧缺位数,0≤a≤1;所述的阳极层所用的材料为导电陶瓷材料或混合导体氧化物材料中的一种或多种;导电陶瓷材料为Ni基金属陶瓷材料、Ag基复合阳极材料或Cu基金属陶瓷阳极材料;混合本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种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,其特征在于: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。

【技术特征摘要】
1.一种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,其特征在于: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。2.根据权利要求1所述的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,其特征在于包括以下步骤:(1)将阴极陶瓷粉体与光敏树脂混合浆料作为原料,使用3D绘图软件设计电池堆几何构型,通过3D打印软件切片分层,利用3D打印机分层打印,一步成型制备立体通道蜂窝型阴极支撑基体素胚;(2)素胚经脱脂、烧结获得立体通道蜂窝型阴极支撑基体;(3)采用浸渍法,在立体通道蜂窝型阴极支撑基体上依次沉积电解质层、阳极层,得到阴极支撑固体氧化物燃料电池;(4)将多块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,实现多块阴极支撑固体氧化物燃料电池串联,形成无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆。3.根据权利要求2所述的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,其特征在于:所述的阴极陶瓷粉体与光敏树脂的质量百分比为70:21-30。4.根据权利要求2所述的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,其特征在于:(1)所述的阴极陶瓷粉体所用的材料为结构为ABO3-δ的掺杂的钙钛矿型陶瓷、结构为A2B2O5+δ的双钙钛矿型陶瓷、结构为A2BO4+δ的R-P型类钙钛矿型陶瓷或超导材料中的一种或多种;其中:A为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钙、锶或钡中的一种或多种;B为钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、铝、钇、锆、铌、钼、铪、钽、钨或铼中的一种或多种;δ为氧缺位数;所述的超导材料包括YSr2Cu2MO7+δ、YBaCo3ZnO7-δ和Ca3Co4O9-δ;其中,M为铁或钴;δ为氧缺位数;(2)所述的电解质层所用的材料为氧化锆基氧化物、氧化铈基氧化物、氧化铋基氧化物、镓酸镧基氧化物、ABO3钙钛矿型结构电解质或通式为Ln10(MO4)6O2的磷灰石型电解质中的一种或多种;氧化锆基氧化物、氧化铈基氧化物、氧化铋基氧化物的结构为XaY1-aO2-δ;其中,X为钙、钇、钪、钐、钆或镨金属元素中的一种或多种;Y为锆、铈或铋金属元素中的一种或多种;δ为氧缺位数,0≤a≤1;(3)所述的阳极层所用的材料为导电陶瓷材料或混合导体氧化物材料中的一种或多种;导电陶瓷材料为Ni基金属陶瓷材料、Ag基复合阳极材料或Cu基金属陶瓷阳极材料;混合导体氧化物材料为LaCrO3基系列、SrTiO3基系列或Sr2MgMoO3基系列氧化物材料;且阳极层与电解质层所用的材料种类相同;阴极陶瓷粉体、电解质层、阳极层所用材料的粒度均为0.02-10μm。5.根据权利要求2所述的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,其特征在于:无连接体阴极支撑固体氧化物燃料电池堆由多块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形成;每块电池包括相互平行排列的多组陶瓷微管(9),陶瓷微管(9)内形成管内流体通道(6),每组陶瓷微管(9)均设置在各自...

【专利技术属性】
技术研发人员:张津津魏鲁阳杨乃涛于方永孟波孟秀霞刘少敏
申请(专利权)人:山东理工大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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