西班牙IREC研究所：3D打印多級固體氧化物燃料電池，性能提升近60%！

導讀：全球的能源緊缺問題日益凸顯，全球各國都針對新能源開始了布局。我國也提出了自己的減少傳統(tǒng)化石能源的雙碳目標，新能源成為目前炙手可熱的話題。在目前所有的不同新能源中，氫能是最有可能未來代替化石能源的選項。制氫和如何應用氫能也成為目前相關企業(yè)和科研單位的研究熱點。氫燃料電池可能在未來的新能源汽車、船舶以及工業(yè)多個領域發(fā)揮重要的作用。但燃料電池的傳統(tǒng)制備及裝配工藝復雜，且良品率低，導致相關燃料電池的應用一直不能產(chǎn)業(yè)化應用，多材料3D打印技術可以有效的降低工藝的復雜度，將燃料電池主體結構的陽極、陰極和電解質材料同時打印出來，為未來的固體燃料電池工業(yè)提供了有益的探索和嘗試。

2020年6月，西班牙加泰羅尼亞能源研究所(IREC)的ICREA教授Albert Tarancón小組就對3D打印固體氧化物電池進行了研究，利用3D打印制作了具有高深寬比的波紋電池和平板電池，使得波紋電池在燃料電池共電解模式下的性能提高了近60%。

3D打印功能材料，可以制作復雜形狀的能源設備，并使其具備優(yōu)異的性能，從而給能源行業(yè)帶來革命性的變化。這將推動下一代高性能設備的發(fā)展，實現(xiàn)制造能源部件的大規(guī)模化。3D打印由陶瓷材料制作的能源設備，如固體氧化物電池和電解槽，可以克服當前現(xiàn)有制造技術的形狀限制。Albert Tarancón小組就使用了立體光刻3D打印技術制備了一類新型的高性能固體氧化物電池。在本研究中，他們利用LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ材料和3D打印技術制作了平面電池具有高深寬比的波紋電池。結果表明，波紋器件在燃料電池和共電解模式下的性能提高了57%，且性能與器件的平面面積成正比。通過3D打印工藝，此類固體氧化物電池還具有很高的耐用性(＜35 mV/1000h)，這表明3D打印會對未來幾代固體氧化物電池和能量轉換或存儲設備產(chǎn)生巨大影響。

此研究團隊以法國3Dceram的CERAMAKER 900 Hybrid多材料3D打印機(圖1B和C)作為工具，直接打印多材料的固體氧化物電池組件。旨在利用多材料3D打印的技術來制造新型的、效率更高的固體氧化物燃料電池，從而大大簡化裝配過程，降低成本。


△圖1 法國3DCERAM的陶瓷3D打印機CERAMAKER 900Hybrid與打印工藝


△圖2 3D打印的8YSZ膜的圖像。平面膜和波紋膜的俯視圖(a和b)和橫截面(c和d)。掃描電子顯微鏡下的平面(e)和波紋(f)的橫截面可以看出3D打印中”層層堆疊“的工藝步驟。


△圖3 平面(a、c、e和g)和波紋(b、d、f和h)細胞的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。詳細介紹了LSM-YSZ氧電極、YSZ電解液和Ni-YSZ燃料電極及其組合界面

本研究在800℃和900℃溫度范圍內(nèi)，通過測量氫氣(燃料電極)和合成空氣(氧氣電極)氣氛下的極化曲線，評價了平板和波紋LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ固體氧化物燃料。結果證明該平面電池在900℃時獲得的最大功率密度，比用常規(guī)工藝生產(chǎn)的同類電池高。波紋電池的性能與平面面積成正比，比常規(guī)SOFC工藝(LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ)的基礎上，性能直接提高了近60%。
△在燃料電池（a）和共電解模式（b）下，在900℃下測量的平面和波紋電池的V-j曲線。EIS測量圖代表了燃料電池在0.7V（c）和共電解電池在1.3V（d）時的情況。



更多內(nèi)容請下載原文查看： 3D打印多級固體氧化物燃料電池.pdf (1.28 MB, 下載次數(shù): 402)

2022-4-7 20:58 上傳

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