一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法技术

本发明专利技术公开了一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，所述方法包括：按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水；根据要制备的电极结构制定打印程序，并输入到喷墨3D打印机中；设置喷墨3D打印机的打印参数，包括：脉冲波形、峰值电压、脉冲频率、基板温度、打印层数和单层间隔；按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水进行喷墨3D打印，得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥；对烘干处理后的电极前体进行烧结处理，得到固体氧化物燃料电池电极。

A Method of Making Solid Oxide Fuel Cell Electrode by Inkjet 3D Printing

The invention discloses a method for manufacturing solid oxide fuel cell electrodes by inkjet 3-D printing. The method includes: making a mixed solution of electrode powder, surfactant, dispersant, volatile inhibitor, acid-base regulator and solvent as an inkjet 3-D printing electrode ink according to a predetermined mass percentage; formulating a printing program according to the electrode structure to be prepared, and inputting it into the inkjet. In the inkjet 3D printer, the printing parameters of the inkjet 3D printer are set, including pulse waveform, peak voltage, pulse frequency, substrate temperature, number of printing layers and single layer interval. According to the set printing procedure and printing parameters, the electrolyte layer prepared in advance is used as the printing matrix, and the electrode ink is used for inkjet 3D printing to obtain the electrode precursor, which is placed in the oven. The solid oxide fuel cell (SOFC) electrodes were obtained by sintering the precursors of the electrodes after drying.

【技术实现步骤摘要】
一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法
本专利技术涉及固体氧化物燃料电池
，尤其涉及一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，具有高效率、无污染、全固态结构以及燃料选择和移动灵活性等优点，在固定和移动电源领域具有广阔应用前景。固体氧化物燃料电池中电解质为全固态致密结构，阳极和阴极则均具有多孔微结构，合理的微结构是实现电/离子在不同材料中的有效传输、界面反应和扩散及提供结构支撑的保证，所以电极的制造手段对于电池和电极性能的改善也至关重要，是除了材料本身以外，对固体氧化物燃料电池可靠性和耐用性调控的另一关键因素。然而固体氧化物燃料电池在其实用化过程中仍存在一些问题需要解决，传统的制备方法如丝网印刷等获得的是不可控、可重复性差的微结构，无法准确控制和平衡机械及电化学性能；传统的制备方法中单层电极的厚度往往较厚，不利于根据固体氧化物燃料电池实际工作需求对其不同空间位置电极组分的调控。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，充分发挥喷墨3D打印技术为实现电极薄层可控化制造的优势，作为解决固体氧化物燃料电池性能调控问题的创新而有效的手段。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法包括：按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水；根据要制备的固体氧化物燃料电池电极的结构制定打印程序，并输入到喷墨3D打印机中；设置喷墨3D打印机的打印参数，所述打印参数包括脉冲波形、峰值电压、脉冲频率、基板温度、打印层数和单层间隔；按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水在所述打印基体上进行喷墨3D打印得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥；将烘干处理后的电极前体进行烧结处理，得到固体氧化物燃料电池电极。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂的质量比为10%:2%:0.5%:5%:10%:72.5%。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述电极粉末为燃料电池阴极钙钛矿材料，所述燃料电池阴极钙钛矿材料包括镧锶钴氧体、镧锶钴铁氧体和镧锶钴锰氧体中的一种或多种。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述表面活性剂为20%浓度的聚乙二醇水溶液。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述分散剂为三乙醇胺。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述挥发抑制剂为丙三醇。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述酸碱调节剂为氢离子浓度为1mol/L的HCl水溶液。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述溶剂为去离子水。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水在所述打印基体上进行喷墨3D打印得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥具体包括：将固体氧化物燃料电池电解质材料钆掺杂的氧化铈进行压片处理，质量为5g，压片载荷为15MPa，负载时间为20秒，然后在1200℃条件下烧结2小时，得到固体氧化物燃料电池的致密电解质层；通过喷墨3D打印将电极墨水按预先设计的结构形状连续喷涂平铺在所述致密电解质层上，并进行层层叠加打印至小于100μm的厚度，打印完成后置于电热鼓风干燥箱，在50℃下进行24小时干燥。所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述烧结处理具体包括：先以5℃/分钟的速度升温至1000℃，然后保温240分钟，最后在空气中随炉冷却降至室温。本专利技术公开了一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，所述方法包括：按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水；根据要制备的固体氧化物燃料电池电极的结构制定打印程序，并输入到喷墨3D打印机中；设置喷墨3D打印机的打印参数，所述打印参数包括脉冲波形、峰值电压、脉冲频率、基板温度、打印层数和单层间隔；按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水在所述打印基体上进行喷墨3D打印得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥；将烘干处理后的电极前体进行烧结处理，得到固体氧化物燃料电池电极。本专利技术充分发挥喷墨3D打印技术为实现微结构可控化制造的优势，解决了固体氧化物燃料电池性能调控问题，为固体氧化物燃料电池电极的制造带来了一种新的方案。附图说明图1是本专利技术喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法的较佳实施例的流程图；图2是本专利技术所制备的固体氧化物燃料电池电极的结构示意图，图中：1-LSCF（镧锶钴铁氧体）阴极层；2-GDC（钆掺杂的氧化铈）电解质层；图3是本专利技术所制备的固体氧化物燃料电池电极在喷墨3D打印过程中使用的脉冲波形图；图4是本专利技术所制备的固体氧化物燃料电池电极在烧结过程中使用的烧结曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术较佳实施例所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，如图1所示，一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其中，所述喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法包括以下步骤：步骤S10、按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水。具体地，所述电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂的质量比为10%:2%:0.5%:5%:10%:72.5%。其中，所述电极粉末为燃料电池阴极钙钛矿材料，所述燃料电池阴极钙钛矿材料包括镧锶钴氧体（LSC），镧锶钴铁氧体（LSCF），镧锶钴锰氧体（LSM）等以及它们的复合粉末（即一种或者多种）。例如LSCF具有高的氧离子-电子混合导电性以及更好的氧催化活性，中低温下LSCF阴极催化性能也可以通过添加具有氧离子传导性的物质，例如GDC或SDC来提高；所述表面活性剂为20%浓度（质量百分浓度）的聚乙二醇（PEG-4000）水溶液，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性，具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂、抗静电剂及柔软剂等；所述分散剂为三乙醇胺（TEA），与其他胺类化合物相似，由于氮原子上存在孤对电子，三乙醇胺具弱碱性，能够与无机酸或有机酸反应生成盐；所述挥发抑制剂为丙三醇，俗称甘油，能从空气中吸收潮气，也能吸收硫化氢、氰化氢和二氧化硫；所述酸碱调节剂为氢离子浓度为1mol/L的HCl水溶液；所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其特征在于，所述喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法包括：按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水；根据要制备的固体氧化物燃料电池电极的结构制定打印程序，并输入到喷墨3D打印机中；设置喷墨3D打印机的打印参数，所述打印参数包括脉冲波形、峰值电压、脉冲频率、基板温度、打印层数和单层间隔；按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水在所述打印基体上进行喷墨3D打印得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥；将烘干处理后的电极前体进行烧结处理，得到固体氧化物燃料电池电极。

【技术特征摘要】
1.一种喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其特征在于，所述喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法包括：按照预定质量百分比将电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂制成混合溶液作为喷墨3D打印的电极墨水；根据要制备的固体氧化物燃料电池电极的结构制定打印程序，并输入到喷墨3D打印机中；设置喷墨3D打印机的打印参数，所述打印参数包括脉冲波形、峰值电压、脉冲频率、基板温度、打印层数和单层间隔；按照设定的打印程序和打印参数，以预先制备好的电解质层作为打印基体，使用所述电极墨水在所述打印基体上进行喷墨3D打印得到电极前体，并置于烘箱中进行干燥；将烘干处理后的电极前体进行烧结处理，得到固体氧化物燃料电池电极。2.根据权利要求1所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其特征在于，所述电极粉末、表面活性剂、分散剂、挥发抑制剂、酸碱调节剂和溶剂的质量比为10%:2%:0.5%:5%:10%:72.5%。3.根据权利要求1所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其特征在于，所述电极粉末为燃料电池阴极钙钛矿材料，所述燃料电池阴极钙钛矿材料包括镧锶钴氧体、镧锶钴铁氧体和镧锶钴锰氧体中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的喷墨3D打印制造固体氧化物燃料电池电极的方法，其特征在于，所述表面活性剂为20%浓度的聚乙二醇水溶液。5.根据权利要求1所述的喷墨3D打印制...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳长石，陈张伟，黎子永，何奕，李杨，欧阳竟，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44