Исследования керамических 3D напечатанных SOFC теперь расширены и включают SOEC

Исследования керамических 3D напечатанных SOFC теперь расширены и включают SOEC

3D печать следующего поколения усовершенствованных твердооксидных топливных и электролизных ячеек

Энергетические устройства на основе электрокерамики, такие как твердооксидные топливные и электролизные ячейки, являются многообещающими кандидатами для получения выгоды от использования 3D печати для разработки инновационных концепций, которые преодолевают ограничения формы существующих в настоящее время технологий производства. Опираясь на аналогичный проект, проведенный в 2017 году, новое исследование, опубликованное в журнале «Химия материалов», сообщает о создании нового семейства высокопроизводительных SOEC — твердооксидных ячеек на основе электролита — с использованием керамической стереолитографии. Обычные плоские и гофрированные электролиты с высоким аспектным соотношением были напечатаны в 3D с помощью оксида циркония, стабилизированного иттрием, для изготовления твердооксидных элементов. Гофрированные устройства продемонстрировали увеличение производительности на 57% в режимах топливного элемента и совместного электролиза, что прямо пропорционально увеличению площади по сравнению с плоскими аналогами. Это усовершенствование по конструкции в сочетании с доказанной долговечностью напечатанных устройств (менее 35 мВ / 1000 ч) представляет собой радикально новый подход в этой области и предполагает сильное влияние в будущих поколениях твердооксидных элементов и, в более общем смысле, в любом твердом теле. устройства преобразования или накопления энергии.

Твердооксидные топливные элементы (SOFC) — это генераторы энергии с нулевым уровнем выбросов, способные преобразовывать водород в электричество с КПД (LHV) выше 60% во всем диапазоне киловаттной шкалы. Эта эффективность может достигать значений, достигающих 90% (LHV) в комбинированных теплоэнергетических установках (CHP), при этом SOFC являются одним из наиболее эффективных устройств генерации энергии, существующих в настоящее время. Альтернативно, те же самые устройства, работающие в обратном режиме, представляют собой устройства накопления энергии, способные вырабатывать запасаемый водород из электричества и воды. SOEC (твердооксидные электролизеры) являются высокоэффективными устройствами для преобразования энергии, с более высокой производительностью и меньшей удельной электрической энергией, чем конкурирующие технологии электролиза.

Твердооксидные элементы (SOC) представляют собой многослойные электрохимические элементы на основе керамики, состоящие из газонепроницаемого оксидно-ионного проводящего электролита с электродами с обеих сторон. Современными материалами для SOC являются стабилизированный иттрием диоксид циркония (YSZ) для электролита в сочетании с композитами на основе YSZ в качестве электродов, а именно манганит лантана-стронция (LSM-YSZ) для кислородного электрода и Ni-YSZ для топливного электрода.

Пока только несколько стратегий были изучены, чтобы воспользоваться преимуществами прямого увеличения производительности ячеек путем изменения их геометрии, вероятно, из-за строгих ограничений в производстве сложных керамических форм. Например, увеличение активной площади элементов за счет гофрирования электролита будет непосредственно уменьшать внутреннее сопротивление элемента, то есть его удельное сопротивление, пропорционально увеличивая их производительность на проецируемую область.

В этом исследовании представлено изготовление электролитов 8YSZ (8 мол.% Оксида циркония, стабилизированного иттрием) толщиной 250 мкм с помощью 3D печати SLA с гофрированной архитектурой, которая по своей сути увеличивает активную площадь примерно на 60% по сравнению с плоской аналогичной версией. В данной работе представлена ​​всесторонняя характеристика электрохимических характеристик обоих типов ячеек в диапазоне температур от 800 до 900° C в топливном элементе и режимах совместного электролиза CO2 и пара. Анализ импедансной спектроскопии ячеек позволил четко определить происхождение усиления. Рифленая архитектура обсуждается здесь в качестве первого примера широкого диапазона печатных геометрических форм, которые могут быть изготовлены с помощью подхода керамической 3D-печати, предложенного в данной работе, что доказывает его несравнимое преимущество в улучшении производительности полученной таким образом ячейки.

 

Плоские и рифленые керамические детали YSZ были изготовлены с использованием керамического 3D принтера. Программное обеспечение Computer Assisted Design (CAD) использовалось для создания эскизов плоских и гофрированных мембран одинакового диаметра 2,00 см (из которых 1,6 см — диаметр для нанесения электрода, определяющий будущую активную площадь ячейки) и толщины 250 мкм, но с различной эффективной площадью поверхности 2,00 и 3,15 см2 соответственно. Такие мембраны были монолитно интегрированы с внешними кольцами, чтобы повысить механическую стабильность и обеспечить хорошее уплотнение мембран во время испытаний.

Чтобы получить размеры, описанные здесь после спекания, применяется процесс масштабирования, чтобы учесть усадку во время процесса спекания (исходные расчетные значения не приведены для ясности). Файлы STL были автоматически созданы с использованием программного обеспечения DMC для нарезки дизайна и управления 3D-принтером. Использовалась не содержащая растворителей УФ-фотоотверждаемая суспензия, которая состоит из керамического порошка 8YSZ, УФ-отверждаемого мономера акрилата, фотоинициатора и диспергатора. Замена растворителей фотополимеризуемыми связующими веществами позволяет достичь высокой загрузки керамики, хорошей гомогенности и низкой вязкости суспензии, что еще более улучшается при добавлении разбавителей. 33 Накапливается суспензия 8YSZ с высокой загрузкой керамики (около 50 об.%) на печатной платформе размером 30 × 30 см2 с помощью двойной ракельной системы, способной равномерно распределять пасту.

Лопасти были отрегулированы для нанесения тонкого слоя толщиной 25 мкм. После осаждения фотоотверждаемой суспензии ультрафиолетовый полупроводниковый лазер (мощность около 500 мВт), сфокусированный на строительной платформе, срез за срезом воспроизводит рисунок, разработанный САПР с использованием растрового зеркала со скоростью 5000 мм / с. Под воздействием ультрафиолетового излучения фотоотверждаемая суспензия, содержащая мономер и фотоинициатор, активный в области УФ-излучения 34, локально затвердевает после процесса свободно-радикальной фотополимеризации.

Изображения автономных 3D-печатных мембран 8YSZ. Вид сверху (а и b) и поперечное сечение (c и d) плоских и гофрированных мембран соответственно. Детальное поперечное сечение по SEM для плоского (e) и гофрированного (f) электролитов, показывающее (на вставке) этапы, определенные в процессе послойной 3D-печати.

Симметричные и полные электрохимические ячейки были изготовлены с использованием ранее оптимизированных стандартных процедур. Коммерческие пасты NiO – YSZ и LSM – YSZ (материалы для топливных элементов, США) были нанесены на куски YSZ с 3D-печатью в качестве топливных и кислородных электродов соответственно. Температуры присоединения 1400 °C в течение 3 часов и 1200° C в течение 1 часа были использованы для топливного и кислородного электродов соответственно.

Плоские и гофрированные отдельно стоящие мембраны 8YSZ были изготовлены методом 3D-печати SLA после спекания при высоких температурах, чтобы получить однородные детали без трещин. В целом, детали YSZ с 3D-печатью считаются пригодными для работы в качестве электролитов в приложениях SOFC/SOEC. Характеристики плоских и гофрированных твердооксидных топливных элементов LSM – YSZ / YSZ / Ni – YSZ оценивали путем измерения кривых поляризации в атмосфере водорода (топливный электрод) и воздуха с синтетическим воздухом (кислородный электрод) в диапазоне температур от 800 до 900 °С.

 

Твердооксидные элементы с электролитной поддержкой как с обычной (плоской), так и с расширенной (гофрированной) архитектурой были успешно изготовлены с использованием технологий керамической 3D-печати. 3D напечатанные твердооксидные элементы с плоской геометрией показали хорошую производительность (сравнимую с обычными элементами) как в топливном элементе, так и в режиме совместного электролиза. Что еще более интересно, гофрированные ячейки показали улучшение, прямо пропорциональное увеличению их активной площади, достигнутому посредством 3D структурирования. В этой работе было достигнуто прямое увеличение на 60% по традиционной технологии SOFC (LSM – YSZ / YSZ / Ni – YSZ) с получением превосходной максимальной плотности мощности 410 мВт / см2 при 900 ° C.

Аналогично, высокая плотность тока 600 мА см-2 при 1,3 В была введена в гофрированную твердооксидную электролизерную камеру, работающую в режиме совместного электролиза. Кроме того, замечательно низкая деградация улучшенных элементов была доказана в испытаниях на долговечность продолжительностью 600 часов даже в условиях высокой плотности тока (j = 360 мВт / см2 при 850 °C). Эти исключительные результаты можно считать первым шагом для изготовления принципиально нового поколения твердооксидных ячеек с улучшенными характеристиками, связанными с их изменением природы от плоского до трехмерного. Это усовершенствование выходит за рамки высокого аспектного отношения их гофрированного электролита и включает в себя 3D-печатные структурные элементы со встроенными функциями и улучшенной возможностью наращивания. Методология 3D-печати этой работы представляет собой универсальный подход, который увеличивает свободу дизайна для высокопроизводительных и долговечных сложных устройств и является шагом вперед в революции аддитивного производства в энергетическом секторе.

No Comments

Post A Comment

Подпишитесь на рассылку новостей
Аддитивного Производства, чтобы быть
профессионалом в современных
промышленных технологиях

Вы успешно подписались на рассылку.

There was an error while trying to send your request. Please try again.

СМАРТПРИНТ - Прямое Цифровое Производство will use the information you provide on this form to be in touch with you and to provide updates and marketing.