喷墨打印技术在阳极支撑型固体氧物燃料电池制备过程中的应用

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开发优质新能源和发展先进能源技术是解决能源危机和环境污染的重要途径。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可以直接将化学能转变为电能的能量转换装置,具有燃料多样性、转化效率高和环境友好等特点。目前SOFC的研究热点在于降低其工作温度和制备成本,进而促进其商业化。喷墨打印技术作为一种新型的无模具成型技术,近年来得到了许多研究者的关注,在电子原件加工、陶瓷成型和生物传感器研究等方面都有所应用。它具有设备价格合理,操作简单,原料利用率高等特点。本文研究了气泡式喷墨打印技术在阳极支撑型SOFC电解质薄膜和电极层制备过程中的应用,为SOFC的低成本制备提供了思路。  本文首先利用喷墨打印技术在SOFC阳极支撑体上制备了(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92(YSZ)电解质薄膜和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)阻隔层。通过高能球磨和超声分散等步骤制备的YSZ和SDC墨水具有良好分散性和稳定性。通过粒径分布测试发现,两种墨水的颗粒团聚尺寸主要在1~10μm之间,远低于喷头的内径。在室温条件下测量了墨水的密度、粘度、表面张力等物理值,并计算得出了墨水的Z值,两种墨水的Z值分别为7.35和5.86,均在可喷墨打印区间内。通过扫描电子显微镜(SEM)对制备得到的YSZ电解质薄膜和SDC阻隔层的微观形貌进行了分析;并且对YSZ表层进行了元素分布测试。我们在所制备的厚度约为6μm的YSZ电解质上用La0.2Sr0.8MnO3-δ(LSM)做阴极,800℃下单电池的最大功率密度为860 mW/cm2;在所制备的的SDC阻隔层上用Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)做阴极,750℃下单电池的最大功率密度为1040 mW/cm2,开路电压(OCV)为1.10V。  接着研究了喷墨打印技术在Sm0.5Sr0.5CoO3-δ(SSC)/SDC复合阴极层制备过程中的应用。通过高能球磨和超声分散等步骤制备的SSC/SDC墨水具有良好分散性和稳定性。粒径分布测试表明该墨水的颗粒团聚尺寸主要在10μm以下。在室温条件下测量了墨水的密度、粘度、表面张力等物理值,并计算得出了墨水的Z值为4.54,在可喷墨打印区间内。通过SEM对制备的SSC/SDC阴极微观形貌进行了分析,并且研究了墨水中造孔剂含量的不同对阴极孔隙率的影响。阴极墨水中不含造孔剂时,制备的阴极层孔隙率较低,对应的单电池在750℃的最大功率密度仅为550 mW/cm2,气体扩散阻抗为0.8Ω·cm2;墨水中加入10%的造孔剂后,阴极层的孔隙率大大提高,对应的单电池在在750℃的最大功率密度提高到为940 mW/cm2,气体扩散阻抗降为0.5Ω·cm2。此外,还采用传统湿法喷涂制备了SSC/SDC阴极层,用于对比。
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