Ogniwa stałotlenkowe – urządzenia do wytwarzania wodoru

Stosy ogniw elektrochemicznych, które mogą być stosowane do produkcji wodoru, będącego jednym z paliw przyszłości i surowców w przemyśle chemicznym, tworzy konstrukcja stalowa, wymagająca specjalnych uszczelnień szklano–ceramicznych. Konwencjonalny proces ich tworzenia wymaga wycinania – to kosztowna metoda, przy której powstaje dużo strat materiałowych.

Badacze z Instytutu Energetyki opracowali innowacyjny proces i specjalną pastę, które pozwalają na wydruk uszczelnienia bezpośrednio na elementach stosu.

Urządzenia do wytwarzania wodoru – ogniwa stałotlenkowe – podczas pracy nagrzewają się do temperatury 600–750 st. C. Właśnie dzięki tak wysokiej temperaturze można produkować wodór bez stosowania drogich katalizatorów, a bezpośrednie wykorzystanie pary powoduje, że proces ma bardzo wysoką sprawność. Największym wyzwaniem dla tej technologii są trudności z uszczelnianiem stosów, wynikające właśnie z pracy w wysokiej temperaturze. Ten problem udało się jednak rozwiązać.

Na czym polega przełom? Sposób, opracowany przez zespół pod kierownictwem dr inż. Agnieszki Żurawskiej z Instytutu Energetyki – Instytut Badawczy pozwala na drukowanie uszczelnień bezpośrednio na elementach stosu, takich jak ogniwa ceramiczne czy elementy stalowe. Dzięki temu, że nie trzeba już używać specjalnej folii, jest eliminowany problem stosowania szkodliwych substancji wymaganych do tej pory do odlewania elementów uszczelniających starego typu.

Najpierw wytwarza się pastę do druku, która składa się ze sproszkowanego materiału uszczelniającego, rozpuszczalnika oraz takich dodatków, jak spoiwo czy plastyfikator, które nadają paście odpowiednie właściwości. Miesza się składniki aż do utworzenia cieczy nienewtonowskiej. – Zachowuje się inaczej niż standardowe substancje, bo nie spełnia hydrodynamicznego prawa Newtona, co oznacza, że jej lepkość przy stałym ciśnieniu zmienia się w czasie. Ci, którzy mieli w szkole eksperymenty ze skrobią kukurydzianą, mieli okazję poznać nietypowe właściwości tych cieczy. W procesach technologicznych praca z takimi substancjami wymaga jednak wiedzy eksperckiej i solidnego warsztatu badawczego – tłumaczy prof. Jakub Kupecki, dyrektor Instytutu Energetyki i Centrum Technologii Wodorowych.

Potem pasta nadaje się już do napełnienia zbiornika drukarek 3D i naniesienia skomplikowanego kształtu uszczelki na elementy stosu. – Korzystamy z unikatowych drukarek, opracowanych specjalnie dla naszego zespołu – tłumaczy Kupecki. Pastę można nakładać jedno- lub wielowarstwowo. Proces został już przez zespół zoptymalizowany pod kątem wysokiej powtarzalności oraz aspektów ekonomicznych związanych ze skalowaniem produkcji.

Podczas drukowania za pomocą sterowanego uchwytu z dyszą pasta zostaje naniesiona bezpośrednio na stos ogniw stałotlenkowych. W zależności od wymaganej grubości uszczelki oraz geometrii uszczelnianego produktu naukowcy dobierają odpowiednio liczbę obrysów i warstw danego wydruku. Uszczelkę w kolejnym etapie należy wysuszyć. Jak tłumaczą naukowcy, w ten sposób powstaje minimalna ilość odpadów przemysłowych. Do tego są eliminowane błędy wynikające z operacji manualnych, jak złe ułożenie i przyklejenie wykrojonej starą metodą uszczelki. Nawet niewielki błąd, skutkujący przerwaniem lub przemieszczeniem się jednej uszczelki, może doprowadzić do uszkodzenia całego stosu podczas pracy. Dzięki zmianie techniki wykonania i naniesienia uszczelek zostaje poprawiona zatem niezawodność całej technologii.

Polska strategia wodorowa zakłada, że do 2030 r. w Polsce moc instalacji wytwarzania zero- i niskoemisyjnego wodoru wyniesie 2 GW, w tym ze znaczącym udziałem elektrolizerów. Zespół Instytutu Energetyki jest przekonany, że w tej liczbie widoczny będzie udział elektrolizerów stałotlenkowych wytwarzanych w Polsce z zastosowaniem przełomowej metody druku 3D uszczelnień.

Źródło: cire.pl