CC BY
0Материалы и технологии гибридной 2D и 3Б-печати компонентов ТОТЭ
А.И.Титков, А.С.Багишев, И.А.Мальбахова, А.В.Воробьев, Т.А.Борисенко,
О.А.Логутенко
ИХТТМСО РАН, 630090, Новосибирск, Новосибирская обл., ул. Кутателадзе, д. 18
Materials and hybrid 2D- and 3D-printing technologies for the production of
SOFC components
A.I.Titkov, A.S.Bagishev, I.A.Malbakhova, A.M.Vorobyev, T.A.Borisenko,
O.A.Logutenko
Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS, 630090, Novosibirsk,
Novosibirsk region, Kutateladze, 18
e-mail: a.titkov@solid.nsc.ru
DOI 10.24412/cl-37211-FC-2024.42
В настоящее время из-за различных антропогенных факторов, вызывающих ухудшение состояния окружающей среды, а также в связи с постепенным истощением запасов ископаемого топлива активно идет работа по поиску альтернативных «зеленых» источников энергии. Водород признан перспективным материалом для альтернативной энергетики ввиду относительной безвредности продуктов его сгорания для окружающей среды, высокой плотности энергии на единицу веса [1]. Для преобразования химической теплоты сгорания водорода в электричество используются топливные элементы (ТЭ), и, в частности, твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), отличающиеся высоким КПД и низким уровнем выбросов по сравнению с классическими процессами сжигания топлива. Энергетические системы на основе ТЭ в перспективе можно использовать во множестве приложений с различными уровнями мощности благодаря их уникальной структуре, гибкости в выборе топлива и высокому качеству производимого тепла [2].
Одним из факторов, ограничивающих текущее развитие ТОТЭ, является технологическая сложность производства. Производство ТОТЭ является многостадийным процессом, что требует больших временных и денежных затрат и не обеспечивает должной воспроизводимости. Кроме того, точные геометрические размеры и сложную микроструктуру, которая требуется для обеспечения высоких электрохимических характеристик, а также большую удельную поверхность, необходимую для увеличения массопереноса и минимизации различных поляризационных потерь, сложно получить традиционными методами изготовления ТОТЭ, такими как литье и экструзия. С ростом спроса на рынке и технологического развития промышленности аддитивные технологии (АТ) в последнее десятилетие активно применяются для прототипирования и производства элементов ТОТЭ. Уникальные возможности ЭБ-печати, такие как высокая автоматизация процесса, низкие потери материала в процессе изготовления, возможность программируемого изготовления деталей со сложной иерархичной структурой, могут в перспективе позволить упростить как технологический процесс изготовления ТОТЭ, улучшить эксплуатационные и мощностные характеристики топливных элементов [Э], так и формировать изделия с уникальной микроструктурой и геометрией.
С развитием печатной и носимой электроники, интернета вещей, персонализированной медицины, «зеленых» технологий в энергетике активно разрабатываются новые типы аддитивных технологий, такие как ЭБ-микро/нанопечать (в том числе печать металлом), «биопечать», печать на ЭБ-объектах, 4Б-печать и
120
различные варианты гибридной печати для создания сложных, в том числе микроскопических, многокомпонентных и мультифункциональных 3Б-объектов [4].
В докладе представлен краткий обзор современного состояния дел в области развития аддитивных технологий изготовления элементов ТОТЭ. Также приведены результаты исследования сформированных анодов, электролитов и полуячеек ТОТЭ развивающимися в ИХТТМ СО РАН «гибридными» вариантами печати с использованием керамических паст на основе наноразмерных оксидных наполнителей с интегрированной послойной лазерной постобработкой [5,6]. Проведено послойное формирование и исследование анодов ТОТЭ планарной геометрии на основе композитов NiO/ZrO2-10%Y2O3 и NiO/Ceo.8Gdo.2O2, электролитов составов ZrO2-10%Y2O3 и Ce0.8Gd0.2O2 и полуячеек на основе соответствующих составов с дополнительными функциональными слоями. Была разработана, изготовлена и охарактеризована серия анодных и электролитных паст для печати; исследовано влияние органических наполнителей и параметров диспергирования на характеристики пасты (вязкость, распределение частиц по размерам, стабильность). Исследовано влияние параметров печати (скорость, давление, диаметр сопла дозирующего устройства), послойной лазерной обработки (скорость сканирования и мощность лазерного излучения) и термической обработки на микроструктуру, пористость и электрофизические характеристики элементов. Установлено, что использование метода струйной ЗД-печати позволяет получить анодные заготовки с контролируемой пористостью и размерами пор, а лазерная обработка на этапе формирования образца позволяет существенно увеличить пористость, уменьшить усадку при спекании и увеличить электропроводность образцов. Показана возможность формирования газоплотных электролитных слоев, а также полуячеек ТОТЭ, состоящих из нескольких различных по функциональным характеристикам слоев с контролируемой пористостью и микроструктурой.
Работа с анодными материалами NiO/YSZ выполнена в рамках гранта РНФ (No. 2179-30051), работа с материалами для электролитов выполнена в рамках государственного задания ИХТТМ СО РАН (проект № 122032900069-8).
Литература
[1] K. Kamlungsua, P.-C. Su, S.H. Chan, "Hydrogen Generation Using Solid Oxide Electrolysis Cells", Fuel Cells, vol.20, N6, pp.644-649, (2020).
[2] R. Peters, R. Deja, M. Engelbracht, M. Frank, V.N. Nguyen, L. Blum, D. Stolten, "Efficiency analysis of a hydrogen-fueled solid oxide fuel cell system with anode off-gas recirculation", J. Power Sources, vol.328, pp.105-113, (2016).
[3] A. Shahzad, I. Lazoglu, "Direct ink writing (DIW) of structural and functional ceramics: Recent achievements and future challenges', Composites Part B, vol.225, pp.109249, (2021).
[4] Ligon SC, Liska R, Stampfl J, Gurr M, Mulhaupt R., Chem Rev. 2017 Aug 9;117(15): 10212-10290. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00074.; S. Tagliaferri, A. Panagiotopoulos and C. Mattevi, Mater. Adv., 2021,2, 540-563.
[5] Malbakhova I., Bagishev A., Vorobyev A., Borisenko T., Logutenko O., Lapushkina E., Titkov A.I. An anode-supported solid oxide fuel cell (SOFC) half-cell fabricated by hybrid 3D inkjet printing and laser treatment // Ceramics. 2023. V. 6. №. 3. P. 1384-1396. https://doi.org/10.3390/ceramics6030085.
[6] A. Asmedianova, I. Malbakhova, O. Logutenko, A. Vorobyev, T. Borisenko, A. Bagishev, A. Titkov, A novel approach to tailoring the microstructure and electrophysical properties of Ni/GDC-based anodes by combining 3D-inkjet printing and layer-by-layer laser treatment, Ceramics International, Volume 50, Issue 8, 2024, P. 13508-13516, https: //doi .org/ 10.1016/j. ceramint.2024.01.264.
