Ученые Сколтеха исследовали 3D-печать керамических деталей экологичных топливных элементов

Исследователи из Сколковского института науки и технологий продемонстрировали, что бюджетным методом 3D-печати можно изготавливать керамические детали довольно сложной решетчатой формы для топливных элементов, сообщает пресс-служба вуза. Так называются перспективные устройства для эффективной и экологичной выработки электроэнергии. Напечатанную в Сколтехе решетчатую структуру из керамики нельзя повторить традиционными производственными методами. С ней топливные элементы будут эффективнее производить энергию, а значит смогут раньше заменить сжигание газа.

Модель (A) и фотографии 3D-печатной керамической решетчатой структуры

Одна из альтернатив сжиганию природного газа и другого ископаемого топлива на теплоэлектростанциях и в двигателях внутреннего сгорания — твердооксидные топливные элементы. Они могут вырабатывать энергию на производстве и в частных домохозяйствах, в том числе на неэлектрифицированных объектах, а также на кораблях, в автомобилях и даже космических спутниках. Для топливных элементов характерна высокая эффективность преобразования химической энергии в электрическую, устойчивость к неполадкам во внешней электросети и экологичность. Факторы, препятствующие широкому внедрению технологии — весьма высокая рабочая температура и потребность в инновационных материалах.

Твердооксидные топливные элементы работают на метане и других углеводородах. В отличие от теплоэлектростанций, эти устройства вырабатывают электроэнергию из топлива прямо на месте. Доставка по линиям электропередач не требуется, поэтому они хорошо подходят в качестве резервных источников питания и в других системах, чувствительных к перебоям электроснабжения. Процесс преобразования энергии в топливном элементе отличается от горения и обеспечивает более высокую эффективность: электрический коэффициент полезного действия достигает порядка 60% против 45% у газотурбинных электростанций. И там, и там коэффициент полезного действия можно повысить, попутно используя выделившееся тепло, но вывод тот же: топливный элемент произведет больше электроэнергии на кубометр израсходованного природного газа, чем традиционная электростанция.

Что касается пользы для окружающей среды, то при окислении газа в топливном элементе, без горения, в атмосферу не выбрасываются оксиды азота, диоксид серы, аэрозольные частицы и другие загрязняющие воздух вещества. Углеродные выбросы на 40-50% ниже, чем, например, в немецкой и американской национальных электросетях, утверждают производители твердооксидных топливных элементов.

Топливные элементы, изготовленные с применением 3D-печати (b) и без (a)

Твердооксидный топливный элемент состоит из анода, катода и электролита — слоя керамического материала между двумя электродами, характеризуемого ионной проводимостью. Эта величина описывает, насколько хорошо электролит проводит ионы кислорода. От этого, в свою очередь, зависит скорость химической реакции, высвобождающей электроэнергию: чем выше ионная проводимость, тем мощнее топливный элемент. Сама проводимость зависит от материала электролита, его структуры и температуры работы устройства.

Структура — как раз тот аспект, над которым работали авторы проведенного в Сколтехе исследования. Они изготовили керамические изделия из двух популярных материалов в форме так называемых иерархических решетчатых структур. Такого рода сложная геометрия повышает ионную проводимость, без 3D-принтера ее получить нельзя. В качестве материала использовался цирконий, стабилизированный оксидом скандия или оксидом иттрия. Первый вариант подходит для топливных элементов с температурой работы в одну тысячу градусов Цельсия, второй — 750 градусов.

Коллектив собрал демонстрационный образец 3D-принтера по технологии проекторной микростереолитографии: ученые добились необходимой для изготовления сложных структур точности освещения, использовав сравнительно недорогой офисный цифровой проектор.

Схема демонстрационного образца 3D-принтера

После 3D-печати заготовка отжигается в печи для удаления полимерного связующего, затем деталь спекается для устранения остаточных пор, и получается прочная керамика. Первый автор научной статьи, выпускник магистратуры Сколтеха Игорь Пчелинцев, предложил инновационное решение — объединить выжигание и спекание в один процесс. Коллектив разработал, описал и выполнил всю процедуру 3D-печати, включая подбор оптимального состава керамической пасты, а также провел постобработку изделий и проверку электрических свойств.

«Мы продемонстрировали, что технологией 3D-печати, в частности микростереолитографией, можно изготовить сложную структуру из одного экспериментального и одного коммерчески используемого керамического материала электролитов топливных элементов. Это шаг к улучшению эксплуатационных характеристик топливных элементов, чтобы со временем они смогли конкурировать с менее экологичными источниками энергии и их заменить», — прокомментировал Игорь Пчелинцев.

Исследователи оптимизировали процесс изготовления керамической структуры, варьируя такие параметры, как толщина слоев и время спекания

Теперь, когда свойства материалов оптимизированы в лабораторных условиях, следующим шагом должно стать создание демонстрационных образцов топливных элементов, роль электролитов в которых будут играть 3D-печатные решетчатые керамические структуры.

Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.