噴墨打印技術在固體氧化物燃料電池制備中的應用

金明康，張靖楠，錢誕珺，袁 瑤，朱 熒，羅 奇，時煥崗

(南京工程學院 環境工程學院，江蘇 南京 211167)

噴墨打印技術在固體氧化物燃料電池制備中的應用

金明康，張靖楠，錢誕珺，袁 瑤，朱 熒，羅 奇，時煥崗*

(南京工程學院 環境工程學院，江蘇 南京 211167)

噴墨打印技術是一種非接觸式的材料沉積技術，具有自動化程度高，節約原材料及操作簡便等特點。將噴墨打印技術用于固體氧化物燃料電池電解質及陰極層的制備可以提高工藝的穩定性和材料的利用率。本文介紹了噴墨打印技術在固體氧化物燃料電池制備中的應用，并對其技術的關鍵做了總結。

噴墨打??；固體氧化物燃料電池；電解質；陰極

1 噴墨打印技術介紹

噴墨打印技術是一種非接觸式的材料制備技術，它通過特定的打印噴頭或噴嘴將含有固體材料的電子墨水分散成小液滴后噴出到基底上。打印的過程可以通過計算機控制實現二維平面甚至三維立體的定位，從而精準的控制材料的沉積。噴墨打印技術根據原理不同，可以分為連續噴墨方式和按需噴墨兩種方式。目前使用較多的按需噴墨方式是噴墨系統中墨水只在打印需要時才噴射，它與連續式相比，結構簡單，成本低，可靠性也更高。噴墨打印技術目前廣泛用于陶瓷器件、能源裝備以及生物學等領域。將普通按需式噴墨打印機改裝后，將特殊材料墨水應用于某些全新的技術領域是完全可行也是具有一定的競爭力。由需噴墨打印方式的打印技術主要具有以下特點[1]：

(1)它是完全電腦控制的，這使得這項技術的運用可以減少成本。

(2)考慮到材料和時間的消耗，噴墨打印技術將墨水的消耗量減小到最小并且在一定程度上減小整個過程的復雜性。

(3)噴墨打印技術作為一種與襯底不接觸的技術，襯底表面的光滑和彎曲程度不再是重要的影響因素，這使沉積的薄膜的厚度更均勻。

2 固體氧化物燃料電池介紹

固體氧化物燃料電池(SOFC) 是繼堿性電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)之后的一種全固體結構的第四代燃料電池。SOFC核心部件為單電池，其由固態且致密的電解質及多孔的陰極和陽極組成。陰極是將分子態的氧還原成氧離子的場所，形成的氧離子通過電解質傳輸到電池的陽極。在陽極上，氧離子進一步與燃料分子發生電化學反應，釋放出多余的電子，而電子通過外電路回到陰極參與陰極反應。電子在外電路的定向移動形成電流。相較于傳統火力發電，SOFC無需經過多次能量轉化，而是直接高效地將化學能轉化為電能，且反應產物無污染。SOFC被普遍認為是在未來得到廣泛應用的一種燃料電池是因為它安全高效，環境友好。由其工作原理可得知SOFC具有以下優勢[2]：

(1)燃料適應性強，電池陽極可采用還原性物質作為燃料，如氫氣，甲烷等。

(2)電池易制作，且無需使用貴金屬催化劑，體積小，無需考慮超載，低載，甚至短路。

(3)全固態電池結構，避免了電池漏液等問題。

(4)電池轉換率高，常壓運行的小型SOFC發電效率能達到45%～50%。高壓SOFC與燃氣輪機結合，發電效率能達到70%。

3 噴墨打印技術在固體氧化物燃料電池制備中的應用

固體氧化物燃料電池由陽極、陰極及介于陽極與陰極之間的電解質組成。由于陽極材料在工作溫度下電阻率最小，所以目前普遍采用陽極為支撐，將電解質與陰極薄膜化來提高固體氧化物燃料電池的性能。當固體氧化物燃料電池使用陽極支持結構時，陽極厚度在500～1000 μm，而陰極和電解質的厚度一般在20μm以下。鑒于噴墨打印技術的特點，目前主要將噴墨打印技術用于固體氧化物燃料電池電解質層和陰極層的制備。

3.1 電解質

固體氧化物燃料電池的電解質在工作溫度下具有氧離子傳導性能，可以將陰極氧還原所產生的氧離子傳輸到陽極參與反應。為了防止陽極燃料與陰極氧氣直接化合，固體氧化物燃料電池的電解質層還要求具有氣密性，即高度致密化。通過噴墨打印技術在陽極層上制備電解質材料的生坯，通過高溫焙燒得到致密的電解質層。

Wang Chingfu等通過優化配方，成功制備了氧化釓摻雜氧化鈰(CGO)電解質墨水，并用于固體氧化物燃料電池電解質層的打印[3]。用于電解質層打印的噴墨打印機帶有可視系統，可以在打印過程中觀察液滴的下落過程及其在陽極基底上的沉積狀態。文章指出，電子墨水在陽極基底上的均勻分布對于電解質膜的形成至關重要。用于噴墨打印制備的CGO墨水的配方中主要含有松油醇、甲醇、乙基纖維素及CGO粉體。通過比較實驗可以發現，甲醇與松油醇的體積比在1:1時得到的電子墨水具有最好的打印效果，此時電子墨水的沉降不明顯，黏度在19.2 cP左右。

Esposito Vincenzo等通過改裝的HP Deskjet 1000噴墨打印機在平板型的陽極支撐體上制備了超薄的YSZ電解質層[4]。電解質層的面積達到16 cm2，而厚度僅有1.2 μm。用于噴墨打印的YSZ電子墨水采用水為溶劑配制，使用尺寸為50 nm的超細粉體。得到的電子墨水且具有較好的分散效果和打印性能。電解質層的厚度通過打印的重復次數來控制。由于電解質層非常薄，固體氧化物燃料電池的輸出性能非常好，在800 ℃時達到1.5 W cm-2的功率密度。

3.2 陰極

固體氧化物燃料電池的陰極在工作溫度下將氧氣催化還原為氧離子，電化學反應所需的電子由陽極通過外部電路傳輸至陰極。由于氧還原反應需要較大的反應界面，所以陰極層一般要求具有較大的孔隙率和比表面積。通過噴墨打印技術制備固體氧化物燃料電池陰極時，需要合理控制陰極的孔隙率，并保證陰極的微觀結構有利于氧還原反應的進行。

Yashiro Naoki等通過噴墨打印技術成功制備了LSCF-GDC復合陰極[5]。噴墨打印制備的電子墨水采用球磨方法制備，陰極原料為LSCF和GDC粉體。使用去離子水和氨水配置pH值為10左右的液體，加入少量分散劑后將LSCF和GDC分別加入到液體中各球磨24 h。球磨后的液體經過48 h的陳化后作為電子墨水使用。文章指出，通過噴墨打印技術制備的固體氧化物燃料電池陰極具有一定的梯度結構，內部相對致密，有利于陰極的氧還原反應，而表面相對較疏松，有利于陰極氣體的擴散。得到的固體氧化物燃料電池在600 ℃下性能優越，最大功率達到0.71 W cm-2。

Li Chao等使用噴墨打印機制備了SDC/SSC復合陰極[6]。打印使用的電子墨水為水基懸浮液，使用球磨和超聲分散技術將陰極粉體均勻分散于去離子水中。為了提高固體氧化物燃料電池陰極的孔隙率和陰極性能，在電子墨水中加入了淀粉作為造孔劑。研究發現，粉體不同的制備方法會對電子墨水的性能產生影響，使用共沉淀方法制備的SDC粉體有利于復合陰極的打印。研究得到的固體氧化物燃料電池中溫性能良好，在750 ℃時的最大功率密度達到0.94 W cm-2。

4 總結

噴墨打印技術用于固體氧化物燃料電池的制備具有一定的優勢，尤其是在陰極與電解質薄膜的制備上。由于實現了打印的軌跡與墨量的控制，其材料的利用率和制備精度更高。操作過程種，電子墨水的參數控制與性能最為關鍵。通過電子墨水的合理調制，可以通過計算機控制噴墨打印設備將材料從墨盒中噴出，沉積在固定的基底上形成生坯。生坯的燒結過程可以調控薄膜的微觀結構，使得薄膜形成致密或者多孔的結構。目前固體氧化物燃料電池的材料研究還處于發展階段，而材料之間的微觀形貌和物理性質又不盡相同，尤其材料的微觀尺寸對噴墨打印機的墨盒噴頭提出了更高的要求。噴墨打印技術用于固體氧化物燃料電池材料的打印亟待更多的研究與探索。

[1] 侯 倩,陳 君. 噴墨打印技術的研究及其在電子器件產品中的應用[J]. 科技創新與應用,2016 (4): 80.

[2] 韓敏芳, 彭蘇萍. 固體氧化物燃料電池材料及制備[M]. 北京: 科學出版社, 2004: 1-16.

[3] Wang Chingfu, Hopkins Simon C, Tomov Rumen I, et al. Glowacki Optimisation of CGO suspensions for inkjet-printed SOFC electrolytes[J].Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32(10): 2317-2324.

[4] Esposito Vincenzo, Gadea Christophe, Hjelm Johan et al. Fabrication of thin yttria-stabilized-zirconia dense electrolyte layers by inkjet printing for high performing solid oxide fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2015, 273: 89-95.

[5] Yashiro Naoki, Usui Tomohiro, Kikuta Koichi. Application of a thin intermediate cathode layer prepared by inkjet printing for SOFCs[J].Journal of the European Ceramic Society, 2010, 30(10): 2093-2098.

[6] Li Chao, Chen Huili, Shi Huangang， ea al. Green fabrication of composite cathode with attractive performance for solid oxide fuel cells through facile inkjet printing[J]. Journal of Power Sources, 2015, 273: 465-471.

(本文文獻格式：金明康，張靖楠，錢誕珺，等.噴墨打印技術在固體氧化物燃料電池制備中的應用[J].山東化工，2016，45(24)：89-90.)

Fabrication of Solid Oxide Fuel Cells Via Ink-jet Printing

Jin Mingkang, Zhang Jingnan, Qian Danjun, Yuan Yao, Zhu Ying, Luo Qi, Shi Huangang*

(School of Environment Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167,China)

Inkjet printing is a non-contact technology for materials deposition with high automation, materials saving, high flexibility and handy operation. The electrolyte and cathode layer of solid oxide fuel cells should be fabricated via ink-jet printing. This technology will enhance the stability and the material utilization of the fabrication. The application of ink-jet printing for solid oxide fuel cells is introduced and the development trend was also predicted．

ink-jet printing; solid oxide fuel cell; electrolyte; cathode

2016-10-30

南京工程學院大學生科技創新基金項目，項目編號：TB201612025

時煥崗，江蘇南京人，工學博士，主要從事新能源材料的開發與研究。

TP334.8

A

1008-021X(2016)24-0089-02