《ACS Energy Letters》：3D打印高度可擴展的管狀質(zhì)子陶瓷燃料電池

2023年7月28日，克萊姆森大學(xué)(Clemson University)的研究人員在《ACS Energy Letters》上發(fā)表題為3D Printing Enabled Highly Scalable Tubular Protonic Ceramic Fuel Cells的研究論文，報道了利用3D打印技術(shù)制備出具有高功率輸出和長壽命的質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)，為可擴展管狀PCFC的商業(yè)化帶來了新的可能性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01345

質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)是一種清潔、高效的中溫發(fā)電裝置。然而制造的難度限制了它們的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，特別是管狀PCFC?；诖?，本文報告了一種具有成本效益的3D打印技術(shù)，用于制造大面積管狀PCFC(如15.7 cm2)。該技術(shù)的優(yōu)勢為可采用低成本的材料，高效地實現(xiàn)多孔陽極支撐、致密電解質(zhì)和多孔陰極中形狀尺寸控制均勻的微結(jié)構(gòu)。

3D打印管狀PCFC (~12.5 cm2)在650°C時的輸出功率為2.45 W，同時在200 h的運行過程中驗證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。這種新穎的3D打印制造工藝提供了巨大的可能性，將PCFC從實驗室推進到更大規(guī)模的實際應(yīng)用。

圖1 用3D打印技術(shù)制造單管PCFC的示意圖。

圖2 經(jīng)測試的有效面積為12.5 cm的大型管狀PCFC的微觀結(jié)構(gòu)。

圖3 人造管狀PCFC的電化學(xué)性能。

圖4 管狀PCFC在650°C下電流密度為200 mA cm-2的長期穩(wěn)定性。

本研究報道了一種簡單且經(jīng)濟高效的3D打印技術(shù)，可用于制備可擴展管狀PCFC。生產(chǎn)的單管PCFC具有良好的微觀結(jié)構(gòu)，由管狀BCZY27- NiO陽極支撐、致密的BCZY27電解質(zhì)薄膜和多孔的BCFZY0.1陰極薄膜組成。雖然具有更大的活性區(qū)域，但它們所表現(xiàn)出的區(qū)域特異性電阻與通過最先進的傳統(tǒng)方法制造的管狀PCFC相當(dāng)。在650℃的條件下，可在大型(~12.5 cm2)單電池中實現(xiàn)2.45 W的高總功率。該研究表明，3D打印技術(shù)可以制造出具有高功率輸出和長壽命的PCFC，為可擴展管狀PCFC的商業(yè)化帶來了新的可能性。