3D打印陶瓷结构将改进燃料电池以更好地利用天然气

Skoltech的研究人员使用一种廉价的3D打印技术来演示高度复杂形状的陶瓷部件的制造，该部件可用于燃料电池，这是一项有前景的高效环保发电技术。

这种复杂的陶瓷结构是传统制造技术无法获得的，它将使燃料电池能够产生更多的电力，从而更快地淘汰更多浪费的能源。该研究发表在《国际陶瓷》杂志上杂志上。

在发电厂或内燃机中燃烧天然气或其他化石燃料的替代方案之一是使用固体氧化物燃料电池。SOFC可以为工业设施或家庭(包括偏远的离网地点)以及船舶、汽车甚至卫星发电。主要优点是效率、弹性以及可持续性，而高工作温度和对新型先进材料的需求是阻碍其广泛采用的因素。

SOFC通过在需要电力的地方消耗甲烷或其他碳氢化合物来发电，因此它们是备用电源和其他对停电敏感的系统的良好解决方案。SOFC中的燃料到电力的转换不涉及燃烧，因此其电效率达到60%左右，而简单循环燃气发电厂的电效率为45%。在这两种情况下，都可以回收一些废热，提高效率，但结果是每消耗1立方米天然气，燃料电池产生的电力比发电站还要多。

传统制造的燃料电池(a)和3D打印制造的燃料电池(b)。图片来源：伊戈尔·普切林采夫

至于环境效益，燃料电池中的无燃烧气体氧化不会随废气排放氮氧化物和二氧化硫等污染物或有害气溶胶颗粒。此外，根据德国和美国SOFC制造商的报告，与国家电网相比，使用天然气运行的固体氧化物燃料电池的碳排放量一般要低40%-50%。

SOFC的主要组成部分是阴极、阳极以及它们之间的一层陶瓷电解质材料，其主要优点是离子导电性。它决定了电解质传导氧离子的能力，促进产生有用能量的化学反应。该参数越高，SOFC提供的功率越大。离子电导率取决于所使用的电解质材料、该材料的结构以及燃料电池的运行温度。

Skoltech的研究人员解决了结构方面的问题，将两种常见的陶瓷电解质材料放入称为分层晶格结构的复杂形状中。复杂的结构可以最大限度地提高离子电导率，但如果没有先进的3D打印技术，这是无法实现的。该团队使用的材料被称为氧化钪稳定氧化锆和氧化钇稳定氧化锆。前者适用于在1,000摄氏度下运行的SOFC，后者在约750摄氏度下运行。两者都被送入依赖于微立体光刻技术的3D打印机以及电影放映机。

该团队组装了一个用于高精度3D打印的低成本演示系统。在制造陶瓷部件时，必须将其暴露在紫外线下以固化(硬化)将材料粘合在一起的聚合物粘合剂，从而形成半成品，技术上称为3D绿色部件。如果需要复杂的结构，则必须以非常精确的方式传输光。为了在演示打印机中实现这一目标，研究人员使用了基于数字光处理技术的办公投影仪——一种经常用于办公室演示等的设备。

3D打印后，UV固化聚合物粘合剂在炉中从半成品中烧掉。在最后阶段，多孔陶瓷样品被烧结以去除残余孔隙并赋予陶瓷强度。该研究的主要作者、Skoltech理学硕士校友IgorPchelintsev提出了一种创新解决方案，该解决方案相当于将燃烧和烧结这两个步骤结合在一个过程中。研究团队开发、描述并实施了3D打印程序，包括优化打印浆料成分、对制造的物品进行后处理以及测试其电气性能。

Pchelintsev总结道：“我们已经证明，3D打印，尤其是廉价的微立体光刻装置，实际上可以利用新兴固体氧化物燃料电池中使用的一种实验级材料和一种商业级材料生产出复杂的结构。”“这是提高燃料电池效率的一步，使其可以与更肮脏的能源竞争并逐步淘汰。”

现在材料的性能已在实验室环境中得到优化，下一步将是创建包含3D打印晶格结构的实际固体氧化物燃料电池的一次性原型。

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