Источник фото — Сколтех
Одной из альтернатив сжиганию газа на газотурбинных установках является использование топливных элементов, которые преобразуют химическую энергию природного газа в электричество, позволяя при этом избежать выбросов азота, диоксида серы и аэрозольных частиц. Твердооксидный топливный элемент состоит из анода, катода и электролита – слоя керамического материала между двумя электродами, одной из характеристик которого является ионная проводимость: чем она выше, тем выше мощность топливного элемента. Сама ионная проводимость зависит от материала электролита и температуры работы устройства.
Обеспечить высокую ионную проводимость можно за счет керамического электролита, имеющего иерархическую решетчатую структуру. Ученые из Сколтеха попытались создать такой электролит с помощью циркония, стабилизированного оксидом скандия или оксидом иттрия. Такие материалы подходят для топливных элементов с рабочей температурой в 1000 и 750 градусов Цельсия соответственно. Непосредственно сам электролит был «отпечатан» на 3D-принтере, работающем по технологии микростереолитографии, удобной для создания прототипов и мелких деталей. Авторы также использовали офисный проектор: с его помощью осуществлялась матричная доставка ультрафиолетового излучения, которое воздействовало на полимерное связующее в составе керамической пасты и обеспечивало затвердевание по мере печати заготовки детали.
Заготовка, напечатанная на 3D-принтере, размещалась в печь, где из нее выжигалось полимерное связующее, после чего деталь спекалась для устранения остаточных пор. В результате «на выходе» получалась прочная керамика. «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», – цитирует Сколтех руководителя исследования Олега Пчелинцева.
Авторы планируют создать демонстрационные образцы топливных элементов, в которых роль электролитов будут играть решетчатые керамические структуры, напечатанные на 3D-принтере.
