2026-04-28
此前，一篇发布在《Journal of Power Sources》的题为“3D printing of reversible solid oxide cell stacks for efficient hydrogen production and power generation（3D 打印用于高效制氢和发电的可逆固体氧化物电池堆）”的研究，通过先进的3D打印技术与设备，成功制造了由45cm²的3D打印电解质支撑固体氧化物电池与超薄扁平金属互连体组成的电池堆，并在燃料电池（SOFC）和电解（SOEC）模式下运行，氢气产量高达85升/小时，且在超过500小时的运行后降解率低于5%。该研究的进展证明了固体氧化物电池3D打印技术的可行性，并展现了高竞争力和可定制氢技术的电池堆设计。
采用法国3DCERAM公司的Ceramaker C-1000工业级SLA 3D打印机，将波纹电池的计算机辅助设计（CAD）模型导入SLA 3D打印机，该打印机将模型分层为50μm的切片进行进一步打印。配合法国3DCERAM开发的3YSZ浆料作为打印材料。使用刮刀系统将3YSZ浆料在300×300mm²的打印平台上逐层沉积。每层用激光固化打印成型，然后平台下降50μm。重复该过程，直到完成电解质素坯。打印过程完成后，大部分浆料从素坯中排出，未固化的浆料可在后续打印中重复使用。然后使用法国3DCERAM自主研发的Ceracleaner®溶剂去除3D打印电解质素坯中所有残留的浆料。清洁后的部件在氮气气氛中进行特殊热处理，在800°C下保持2小时，以确保完全去除有机成分，且不产生任何裂纹或其他缺陷。最后，将去除有机物的部件在空气气氛中1450°C下烧结2小时。对于燃料和氧气电极，使用商业浆料手动涂覆在电解质膜上。这些层在空气中分两步烧结，分别在 1400°C和1200°C下保持2小时，升温速率和降温速率均为1°C/min。
密封程序和电池堆组装
将200μm厚的Crofer22APU扁平金属片切割并钻孔，作为电池堆中的互连体。互连体涂覆有锰钴氧化物，并在 980°C下烧结2小时。使用浸渍有水性氧化铝悬浮液的氧化铝毡。在两面浸渍氧化铝溶液以确保良好的气密性。根据图1a）所示的组装图，将组件对齐并安装以形成完整的电池堆。
图1
图释：
由3D打印单元组成的固体氧化物电池堆栈：
a) 包含所有组件的最终堆栈组件的3D渲染图，
b) 单个重复单元（SRU）与基于传统平面单元和我们的复杂形状设计的堆栈的比较，
c) 包含三个SRU的操作子堆栈，
d) 由18个SRU组成的堆栈图片。
通过3D打印技术和烧结工艺优化，制造了不同尺寸的复杂形状氧化钇稳定氧化锆（YSZ）电池，首次成功制造并表征了基于3D打印电池的可逆SOFC/SOEC电池堆。优化了基于3YSZ的复杂形状电解质支撑电池，通过设计将电池堆体积和重量分别减少了三倍和四倍。图2a)显示了成功制造的无缺陷 YSZ 部件的示例，该部件具有独特的特征，如薄波纹电解质膜、内置气体分布通道、进出气孔和密封框架。这种波纹电解质膜直接将对应平面电池的活性面积从 45cm²增加到 72cm²；此外，根据本研究中进行的热机械模拟，这种创新设计与平面电池相比显著改善了电池的机械性能，从而克服了SOEC平面电池在压力下运行时出现的主要问题之一。
图2
图释：
3D打印固体氧化物电池：
a) 具有嵌入式通道的3D打印和烧结复杂形状电池的摄影；
b) 烧结后波纹电解质膜的SEM横截面图；
c) 燃料电极和氧电极功能化后3D打印电解质两侧的俯视图（绿色为NiO-YSZ，黑色为LSM-YSZ）；
d) 完整电池、燃料电极（上）、电解质（中）和氧电极（下）的SEM横截面图。
综上所述，在整个研究过程中，3DCeram的设备从设计到成品，全程发挥着关键作用。3DCeram的设备之所以能在这项突破性研究中发挥核心作用，源于其诸多显著优势：超高精度与复杂结构成型能力、卓越的材料兼容性与性能保障、高效稳定的规模化生产潜力等等。
这项研究，不仅展示了3D打印技术在固体氧化物电池领域的巨大潜力，更彰显了3DCeram在先进陶瓷制造领域的领先地位。随着绿色氢能产业的快速发展，3DCeram的3D打印技术必将为构建可持续的未来能源体系贡献更多力量，同时也为我们的所有行业客户提供全方位的整体解决方案，为您解决生产制造难题。
以上内容来自网络，阅读原文：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234704
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