Дизайн архитектуры микротрубчатых твердооксидных топливных элементов с применением методов аддитивного формирования и математического моделирования

В основе одного из направлений развития альтернативной энергетики лежат высокотемпературные электрохимические устройства (ЭХУ), которые позволяют эффективно (КПД до 60-70%) трансформировать органическое топливо и водород, в электроэнергию с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). На протяжении десятилетий достижения в области ТОТЭ были сосредоточены на поиске новых материалов, таких как цериевая керамика для электролита и катоды на основе перовскитов со смешанной ион-электронной проводимостью (СИЭП). Несмотря на значительные успехи в материаловедении, значительно меньший прогресс был достигнут в плане конструкции ячеек, поскольку в коммерчески доступных продуктах ТОТЭ преобладает конструкция планарного типа. Слабая устойчивость к термоциклированию и сложные требования к герметизации по-прежнему остаются ключевыми проблемами, которые не позволяют планарным ТОТЭ найти широкое распространение. Напротив, высокотемпературная герметизация не является проблемой для трубчатых ТОТЭ; однако удельная мощность в зависимости от площади обычно намного ниже, чем у планарной конструкции. Более совершенная микротрубчатая (МТ) конструкция обеспечивает высокую объемную плотность мощности за счет миниатюризации размеров ячейки до миллиметрового масштаба, а также несравненную стойкость к тепловому удару, что позволяет проводить быстрый пуск/охлаждение. Несмотря на это, низкая механическая прочность микротрубчатых ячеек является серьезной проблемой ввиду того, что длинные микротрубки с высоким соотношением сторон чрезвычайно хрупки против приложения продольной силы, что приводит к практическим трудностям при работе с отдельными ячейками и сборке батареи. Поэтому поиск «идеальной» конструкции, сочетающей в себе черты плоской и трубчатой конструкции, является актуальной задачей. В недавней работе, опубликованной в Nature Communications [10.1038/s41467-019-09427-z], были впервые получены микромонолитные ТОТЭ (с англ. micro-monolithic SOFC), где была продемонстрирована высокая механическая прочность элементов и показана прямая связь количества внутренних микроканалов с объемной плотностью мощности ТОТЭ (вплоть до 17 Вт см-3 для 7-канального элемента). Микромонолитные ТОТЭ с различным количеством каналов (1, 3, 4 и 7) были изготовлены при помощи метода фазовой инверсии с использованием оригинальной фильеры. Поскольку рост числа каналов напрямую влияет не только на прочностные, но и на мощностные характеристики, то интересен к рассмотрению предельный случай, когда число каналов настолько велико, что составляет единую сеть. Такую архитектуру анодного композита невозможно получить при помощи обычной экструзии через фильеру. В настоящем проекте предлагается использовать оригинальную методику, суть которой заключается в проведении фазовой инверсии предварительно замороженной полимерной пасты с заданной геометрией. Полимерные заготовки для заливки, архитектура которых задана с точностью 50 мкм, будут изготовлены при помощи FDM 3D печати. Таким образом, научной задачей проекта является повышение эффективности электрохимических процессов конверсии энергии топлива в электроэнергию на основе разработки ЭХГ нового поколения - МТ ТОТЭ с аддитивно-формируемой подложкой (АФП). Оптимизация архитектуры МТ ТОТЭ будет произведена путем оценки массо-, теплопереноса и эффективного расходования топлива с привлечением методов математического моделирования. Решение научных проблем, заявленных в проекте, имеет важное значение для разработки компактного генератора электроэнергии для мобильных и транспортных устройств, рынок которых уверенно растет. Технология микротрубчатых ТОТЭ систем является опережающей с точки зрения развития отрасли в мире, и ее внедрение в повседневную практику позволит Российской Федерации занять устойчивые позиции на мировых рынках экологически чистых транспортных и стационарных энергоустановок.