Изготовление керамических топливных элементов с помощью 3D-принтера может оказаться простым и быстрым способом производства этих устройств, а также открыть дорогу топливным элементам нетрадиционных форм. Такие надежды дают результаты работы лаборатории материаловедения Северо-Западного университета, штат Иллинойс.
В лаборатории разработаны новые чернила, которые 3D-принтер может использовать для создания компонентов твёрдооксидного топливного элемента: катода, анода, электролита и разводки. Чернила представляют собой смесь из керамических частиц, которые составляют от 70 до 90% смеси, связующего вещества и смеси растворителей, которые испаряются с различной скоростью. К примеру, чернила для электролита сделаны из частиц диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, а анод содержит те же частицы плюс оксид никеля.
Когда принтер выводит линию одними из этих чернил, высоколетучий растворитель быстро испаряется и напечатанный элемент моментально затвердевает. Остальные растворители испаряются медленнее, оставляя напечатанную линию, с одной стороны, достаточно твёрдой, чтобы она сохранила свою форму, а с другой стороны, достаточно мягкой, чтобы следующий слой слился с предыдущим. Печать производится при комнатной температуре, но после её завершения деталь обжигают при температуре до 1250 °C, что делает её более плотной и гладкой. Чтобы при обжиге усадка различных частей напечатанного топливного элемента была одинаковой, разработчики аккуратно отрегулировали составы смесей, а также добавили оксид железа в некоторые слои.
Использование технологии трёхмерной печати для изготовления топливных элементов стандартного дизайна является упрощением производственного процесса по сравнению со сборкой из отдельных частей. Однако куда важнее, что технология даёт возможность создавать элементы сложных форм, чего не позволяют традиционные технологические процессы. Например, инженеры напечатали плоские листы, которые могут быть свёрнуты или сложены перед обжигом. И вместо того, чтобы собирать топливные элементы в стандартную батарею, их можно выстроить в виде концентрических кругов или даже сплести, что обеспечивает бо́льшую площадь поверхности и более эффективный перенос заряда.
