• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.10.2023
Сколтех
1
1 809

3D-печать сделает экологичные топливные элементы из керамики эффективнее

4.4

Исследователи из Сколтеха продемонстрировали, что бюджетным методом 3D-печати возможно изготовить керамическую деталь довольно сложной решетчатой формы для топливных элементов. Так называются перспективные устройства для эффективной и экологичной выработки электроэнергии. Напечатанную в Сколтехе решетчатую структуру из керамики нельзя повторить традиционными технологиями производства. С ней топливные элементы будут эффективнее производить энергию, а значит, смогут раньше заменить сжигание газа.

Исследователи оптимизировали процесс изготовления керамической структуры, варьируя такие параметры, как толщина слоя печати и время спекания / Игорь Пчелинцев
Исследователи оптимизировали процесс изготовления керамической структуры, варьируя такие параметры, как толщина слоя печати и время спекания / © Игорь Пчелинцев / Автор: Sycophanta Duccius

Научная статья опубликована в журнале Ceramics International. 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 не электрифицированных 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 ЛЭП не требуется. Поэтому они хорошо подходят в качестве резервного источника питания и в других системах, чувствительных к перебоям электроснабжения. Процесс преобразования энергии в топливном элементе отличается от горения и обеспечивает бо́льшую эффективность: электрический КПД порядка 60 процентов против 45 – у газотурбинной электростанции. И там и там КПД 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 процентов ниже, чем, например, в немецкой и американской национальных электросетях, утверждают производители твердооксидных топливных элементов.

Твердооксидный топливный элемент состоит из анода, катода и электролита — слоя керамического материала между двумя электродами, который характеризуется 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. А сама проводимость зависит от материала электролита, его структуры и температуры работы устройства.

Модель (A) и фотографии напечатанной учеными из Сколтеха керамической решетчатой структуры, которая может повысить эффективность топливных элементов / © Игорь Пчелинцев

Структура — как раз тот аспект, над которым работали авторы проведенного в Сколтехе исследования. Они изготовили керамические изделия из двух популярных материалов электролитов 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 1 тыс. градусов Цельсия, а второй — 750 градусов.

Коллектив создал недорогой демонстрационный образец 3D-принтера, который использует технологию микростереолитографии и — внезапно — офисный проектор. Последний применяли для матричной доставки ультрафиолетового излучения, которое воздействует на полимерное связующее в составе керамической пасты и тем самым отверждает материал по мере печати заготовки детали. Ученые добились необходимой для изготовления сложной структуры точности освещения, использовав сравнительно недорогой DLP-проектор — на таких часто показывают презентации в офисе.


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

После печати заготовки из нее в печи выжигается полимерное связующее, 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 одном процессе. Коллектив исследователей разработал, описал и выполнил всю процедуру 3D-печати, включая подбор оптимального состава керамической пасты, а также провел постобработку изделий и проверку их 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», — резюмировал Пчелинцев.

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

Вчера, 16:20
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

9 часов назад
Алиса Гаджиева

Во время раскопок на юге Турции археологи обнаружили глиняную табличку с хорошо читаемой аккадской клинописью. Когда ее расшифровали, оказалось, что это важные хозяйственные записи, сделанные 3500 лет назад.

Вчера, 18:26
Татьяна

Исследуя глубоководные сообщества в районе Тихого океана, богатом железомарганцевыми конкрециями, ученые из Великобритании неожиданно обнаружили новый источник кислорода. Теперь они опасаются, что разработка этих месторождений может нарушить сложившиеся экосистемы.

Вчера, 16:20
Татьяна

Врачи давно знают, что во время каникул и праздников растет число пациентов с нарушениями работы сердца. Причина — в неумеренном пьянстве. Две группы ученых показали, как спиртное вызывает мерцательную аритмию, а также предупредили о рисках для женщин, принимающих гормональную заместительную терапию.

17 июля
Игорь Байдов

Команда китайских инженеров разработала модель магнитоэлектрического генератора, способного эффективно преобразовывать энергию падающих капель в электричество. Устройство может быть полезно для районов с повышенной сезонной влажностью. Разработка ученых в теории выглядит перспективно, но вызывает некоторые вопросы. В частности, пока не ясно, можно ли найти ей практическое применение.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

12 июля
Александр Березин

Falcon 9 Block 5 впервые за три сотни запусков дал частично неудачный полет. Ракета выводила 20 спутников компании SpaceX, с 15 связь уже пропала, еще пять могут быть потеряны в ближайшее время.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий
Были бы какие-то паевые фонды по коммерческому применению подобных научных разработок. С удовольствием вложил бы свою копейку в такой фонд, чем покупать очередную акцию Сбера или Газпрома.
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно