Новый метод снижает температуру производства ячеек на 500°C

На фоне растущего энергопотребления в эпоху искусственного интеллекта, проточные керамические электрохимические ячейки (PCEC), способные одновременно генерировать электричество и водород, привлекают все большее внимание как технология нового поколения. Однако ранее их производство было ограничено чрезвычайно высокой температурой – 1500°C. Исследовательская команда KAIST впервые разработала новый производственный процесс, снижающий этот порог более чем на 500°C.

Прорыв в процессе производства ячеек

Команда профессора Канг Тэка Ли из Департамента машиностроения представила новую технологию, позволяющую создавать высокопроизводительные проточные керамические электрохимические ячейки при температуре более чем на 500°C ниже прежней. Этот метод использует комбинацию микроволнового нагрева и контроля паровой среды, основанную на принципах микроволнового излучения и диффузии химического пара, генерируемого из определенных компонентов.

Ключевым материалом в проточных керамических электрохимических ячейках является электролит, содержащий барий (Ba). При температурах выше 1500°C барий легко испаряется, что приводит к снижению производительности ячейки. Возможность отверждения керамического электролита при более низкой температуре долгое время оставалась главной проблемой, определяющей характеристики ячейки.

Инновационная техника паровой диффузии

Для решения этой задачи исследователи разработали новый метод термообработки – паровую диффузию. Технология заключается в размещении рядом с ячейкой специального вспомогательного материала (источника пара), который при облучении микроволнами быстро испаряется. При достижении температуры около 800°C пар, выделяющийся из вспомогательного материала, перемещается к электролиту и прочно связывает керамические частицы. Благодаря этой разработке процесс, ранее требовавший 1500°C, теперь завершается всего при 980°C. Это означает создание первой в мире технологии изготовления керамических электрохимических ячеек, обеспечивающих высокую производительность при низкой температуре без повреждения электролита.

Результаты и влияние на промышленность

Ячейка, изготовленная по новой технологии, демонстрирует стабильную выходную мощность 2 Вт с площади 1 см² при температуре 600°C и производит 205 мл водорода в час при той же температуре (один из самых высоких показателей в отрасли). Кроме того, она сохраняет стабильность без снижения производительности в течение 500 часов непрерывной работы. Таким образом, данная технология снижает температуру производства (−500°C), понижает рабочую температуру (600°C), удваивает производительность (2 Вт/см²) и продлевает срок службы (стабильность 500 часов), достигая мировых стандартов в области керамических ячеек.

Исследователи также повысили надежность технологии, используя цифровые двойники (виртуальные симуляции) для анализа явлений переноса газа во внутренней микроструктуре ячейки, которые трудно наблюдать в реальных экспериментах. Профессор Канг Тэк Ли отметил: «Это первое в мире применение пара для снижения температуры термообработки более чем на 500°C при сохранении высокой производительности и стабильности ячейки. Ожидается, что эта технология станет ключевой производственной разработкой, способной решить энергетические проблемы эпохи ИИ и ускорить переход к водородной экономике».

Донгйон Ким (аспирант KAIST) и Йеджин Канг (аспирант KAIST) выступили соавторами исследования.