西班牙IREC研究所：3D打印多级固体氧化物燃料电池，性能提升近60%！

导读：全球的能源紧缺问题日益凸显，全球各国都针对新能源开始了布局。我国也提出了自己的减少传统化石能源的双碳目标，新能源成为目前炙手可热的话题。在目前所有的不同新能源中，氢能是最有可能未来代替化石能源的选项。制氢和如何应用氢能也成为目前相关企业和科研单位的研究热点。氢燃料电池可能在未来的新能源汽车、船舶以及工业多个领域发挥重要的作用。但燃料电池的传统制备及装配工艺复杂，且良品率低，导致相关燃料电池的应用一直不能产业化应用，多材料3D打印技术可以有效的降低工艺的复杂度，将燃料电池主体结构的阳极、阴极和电解质材料同时打印出来，为未来的固体燃料电池工业提供了有益的探索和尝试。

2020年6月，西班牙加泰罗尼亚能源研究所(IREC)的ICREA教授Albert Tarancón小组就对3D打印固体氧化物电池进行了研究，利用3D打印制作了具有高深宽比的波纹电池和平板电池，使得波纹电池在燃料电池共电解模式下的性能提高了近60%。

3D打印功能材料，可以制作复杂形状的能源设备，并使其具备优异的性能，从而给能源行业带来革命性的变化。这将推动下一代高性能设备的发展，实现制造能源部件的大规模化。3D打印由陶瓷材料制作的能源设备，如固体氧化物电池和电解槽，可以克服当前现有制造技术的形状限制。Albert Tarancón小组就使用了立体光刻3D打印技术制备了一类新型的高性能固体氧化物电池。在本研究中，他们利用LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ材料和3D打印技术制作了平面电池具有高深宽比的波纹电池。结果表明，波纹器件在燃料电池和共电解模式下的性能提高了57%，且性能与器件的平面面积成正比。通过3D打印工艺，此类固体氧化物电池还具有很高的耐用性(＜35 mV/1000h)，这表明3D打印会对未来几代固体氧化物电池和能量转换或存储设备产生巨大影响。

此研究团队以法国3Dceram的CERAMAKER 900 Hybrid多材料3D打印机(图1B和C)作为工具，直接打印多材料的固体氧化物电池组件。旨在利用多材料3D打印的技术来制造新型的、效率更高的固体氧化物燃料电池，从而大大简化装配过程，降低成本。


△图1 法国3DCERAM的陶瓷3D打印机CERAMAKER 900Hybrid与打印工艺


△图2 3D打印的8YSZ膜的图像。平面膜和波纹膜的俯视图(a和b)和横截面(c和d)。扫描电子显微镜下的平面(e)和波纹(f)的横截面可以看出3D打印中”层层堆叠“的工艺步骤。


△图3 平面(a、c、e和g)和波纹(b、d、f和h)细胞的横截面扫描电子显微镜图像。详细介绍了LSM-YSZ氧电极、YSZ电解液和Ni-YSZ燃料电极及其组合界面

本研究在800℃和900℃温度范围内，通过测量氢气(燃料电极)和合成空气(氧气电极)气氛下的极化曲线，评价了平板和波纹LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ固体氧化物燃料。结果证明该平面电池在900℃时获得的最大功率密度，比用常规工艺生产的同类电池高。波纹电池的性能与平面面积成正比，比常规SOFC工艺(LSM-YSZ/YSZ/Ni-YSZ)的基础上，性能直接提高了近60%。
△在燃料电池（a）和共电解模式（b）下，在900℃下测量的平面和波纹电池的V-j曲线。EIS测量图代表了燃料电池在0.7V（c）和共电解电池在1.3V（d）时的情况。



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2022-4-7 20:58 上传

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