Влияние природы порообразователей на микроструктуру анода ТОТЭ на основе NiO и 10YSZ, сформированного гибридной 3D-печатью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В данной работе были послойно сформированы аноды на основе оксида никеля и оксида циркония, допированного оксидом иттрия, методом гибридной струйной 3D-печати с лазерной обработкой. Был определен гранулометрический состав композита NiO/Zr0.9Y0.1O2 (10YSZ) и реологические характеристики печатных паст на его основе. Проведены эксперименты по печати трехмерных тестовых объектов с использованием разработанной керамической пасты. Было изучено влияние дополнительно введенных в состав порообразователей – графита и картофельного крахмала – на реологические характеристики пасты. Полученные образцы несущих анодов были изучены комплексом физико-химических методов для определения морфологических и структурных характеристик.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Мальбахова

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: malbakhova.inna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. С. Багишев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: malbakhova.inna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. М. Воробьев

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: malbakhova.inna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

Т. А. Борисенко

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: malbakhova.inna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

А. И. Титков

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

Email: malbakhova.inna@yandex.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Singla, M.K., Nijhawan, P., and Oberoi, A.S., Hydrogen fuel and fuel cell technology for cleaner future: a review, Environ. Sci. Pollut. Res., 2021, vol. 28, no. 13, p. 15607.
  2. Parra, D., Valverde, L., Pino, F.J., and Patel, M.K., A review on the role, cost and value of hydrogen energy systems for deep decarbonisation, Renew. Sust. Energ. Rev., 2019, vol. 101, p. 279.
  3. Khan, M.Z., Iltaf, A., Ishfaq, H.A., Khan, F.N., Tanveer, W.H., Song, R.H., Mehran, M.T., Saleem, M., Hussain, A., and Masaud, Z., Flat-tubular solid oxide fuel cells and stacks: A review, J. Asian Ceram. Soc., 2021, vol. 9, no. 3, p. 745.
  4. Tai, X.Y., Zhakeyev, A., Wang, H., Jiao, K., Zhang, H., and Xuan, J., Accelerating fuel cell development with additive manufacturing technologies: state of the art, opportunities and challenges, Fuel Cells, 2019, vol. 19, no. 6, p. 650.
  5. Zouridi, L., Garagounis, I., Vourros, A., Marnellos, G.E., and Binas, V., Advances in Inkjet-Printed Solid Oxide Fuel Cells, Adv. Mater. Technol., 2022, vol. 7, no. 7, 2101491.
  6. Pelz, J.S., Ku, N., Meyers, M.A., and Vargas-Gonzalez, L.R., Additive manufacturing of structural ceramics: a historical perspective, J. Mater. Res. Technol., 2021, vol. 15, p. 670.
  7. Sun, C., Wang, Y., McMurtrey, M.D., Jerred, N.D., Liou, F., and Li, J., Additive manufacturing for energy: A review, Appl. Energy, 2021, vol. 282, p. 116041.
  8. Pham, T.T., Tu, H.P., Dao, T.D., To, T.D., Doan, D.C.T., and Dang, M.C., Fabrication of an anode functional layer for an electrolyte-supported solid oxide fuel cell using electrohydrodynamic jet printing, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol., 2019, vol. 10, no. 1, p. 015004.
  9. Jang, I. and Kelsall, G.H., Fabrication of 3D NiO-YSZ structures for enhanced performance of solid oxide fuel cells and electrolysers, Electrochem. Commun., 2022, vol. 137, p. 107260.
  10. Sobolev, A., Stein, P., and Borodianskiy, K., Synthesis and characterization of NiO colloidal ink solution for printing components of solid oxide fuel cells anodes, Ceram. Int., 2020, vol. 46, no. 16, p. 25260.
  11. Ghazanfari, A., Li, W., Leu, M. C., Watts, J. L., and Hilmas, G. E., Additive manufacturing and mechanical characterization of high density fully stabilized zirconia, Ceram. Int., 2017, vol. 43, no. 8, p. 6082.
  12. Xing, B., Cao, C., Zhao, W., Shen, M., Wang, C., and Zhao, Z., Dense 8 mol% yttria-stabilized zirconia electrolyte by DLP stereolithography, J. Eur. Ceram. Soc., 2020, vol. 40, no. 4, p. 1418.
  13. Kuterbekov, K.A., Nikonov, A.V., Bekmyrza, K.Z., Pavzderin, N.B., Kabyshev, A.M., Kubenova, M.M., and Aidarbekov, N., Classification of Solid Oxide Fuel Cells, Nanomaterials, 2022, vol. 12, no. 7, p. 1059.
  14. Prakash, B.S., Kumar, S.S., and Aruna, S.T., Properties and development of Ni/YSZ as an anode material in solid oxide fuel cell: A review, Renew. Sust. Energ. Rev., 2014, vol. 36, p. 149.
  15. Sauerwein, M., Zlopasa, J., Doubrovski, Z., Bakker, C., and Balkenende, R., Reprintable paste-based materials for additive manufacturing in a circular economy, Sustainability, 2020, vol. 12, no. 19, p. 8032.
  16. Sukeshini, A.M., Cummins, R., Reitz, T.L., and Miller, R.M., Inkjet Printing of Anode Supported SOFC: Comparison of Slurry Pasted Cathode and Printed Cathode, Electrochem. solid-state lett., 2009, vol. 12, p. B176.
  17. Deng, X. and Petric, A., Effect of anode porosity and pore size on electrochemical performance, ECS Proceedings Volumes, 2003, vol. 1, p. 653.
  18. Clemmer, R.M. and Corbin, S.F., Effect of graphite pore‐forming agents on the sintering characteristics of Ni/YSZ composites for solid oxide fuel cell applications, Int. J. Appl. Ceram., 2012, vol. 9, no. 6, p. 1022.
  19. Zhou, J., Liu, Q., Zhang, L., Pan, Z., & Chan, S.H., Influence of pore former on electrochemical performance of fuel-electrode supported SOFCs manufactured by aqueous-based tape-casting, Energy, 2016, vol. 115, p. 149.
  20. Хатко, З.Н., Титов, С.А., Ашинова, А.А., Колодина, Е.М. Влияние комбинирования пектиновых веществ на вязкость их водных растворов. Вестник ВГУИТ. 2019. Т. 81. С. 133.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Гранулометрия исходных порошков и порошка, используемого для 3D-печати анодов.

Скачать (133KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для органического связующего и печатных композиций на основе композита NiO/YSZ с различным массовым содержанием твердой фазы в пастах.

Скачать (97KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микроснимки анодов NiO/10YSZ, полученных из пасты с массовым содержанием твердой фазы 60%: (а) увеличение в 40 раз, (б) увеличение в 500 раз.

Скачать (472KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для печатных композиций на основе NiO/10YSZ с различными типами порообразователей.

Скачать (96KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига для печатных композиций на основе NiO/10YSZ в зависимости от массовой доли порообразователя при массовой доле композита 60%: (а) порообразователь графит, (б) порообразователь крахмал.

Скачать (201KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микроснимки порообразователей, используемых в печатных композициях на основе NiO/10YSZ: (а) крахмал, (б) графит.

Скачать (211KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Гранулометрия порошков порообразователей, используемых для 3D-печати анодов: (а) крахмал, (б) графит.

Скачать (210KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Микрофотографии анодов NiO/10YSZ в зависимости от типа порообразователя с массовым содержанием порообразователя 10%: (а), (б) образец с порообразователем крахмалом; (в), (г) образец с порообразователем графитом.

Скачать (710KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Микроснимки скола напечатанного образца композиционного анода NiO/10YSZ после термического спекания при разном массовом содержании порообразователя графита: (а) без порообразователя, (б) 5%, (в) 10%, (г) 15%.

Скачать (575KB)
Метаданные

Примечание

Публикуется по материалам IX Всероссийской конференции с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”, Черноголовка, 2022.


© Российская академия наук, 2024