Nowatorska metoda uszczelniania wysokotemperaturowych stosów ogniw paliwowych i elektrolizerów umożliwiająca masową komercjalizację niskoemisyjnych technologii wodorowych

ZESPÓŁ AUTORSKI:

Instytut Energetyki - Instytut Badawczy

• Agnieszka Żurawska, kierownik zespołu
• Magdalena Kosiorek
• Marek Skrzypkiewicz
• Jakub Kupecki

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Dzięki wynalazkowi umożliwiona zostaje komercjalizacja stosów ogniw stałotlenkowych – urządzeń do wytwarzania zielonego wodoru oraz czystej energii elektrycznej i ciepła. Dotychczasową metodą formowania uszczelnień stosów były techniki odlewania szklano-ceramicznych uszczelnień wymagające ich wykrawania, generując straty kosztownego materiału uszczelniającego. Dzięki wynalazkowi, uszczelnienie drukowane może być bezpośrednio na komponentach stosu takich jak elementy stalowe, ogniwa ceramiczne i przekładki z innych materiałów, co eliminuje generowanie odpadów, błędy pozycjonowania uszczelnień na etapie montażu stosów oraz ogranicza liczbę procesów jednostkowych w produkcji stosów.
Opracowana metoda charakteryzuje się wysoką jakością wykonanego uszczelnienia, powtarzalnością oraz łatwością w skalowaniu produkcji. Dodatkowo metoda pozwala wykorzystywać recyklingowane odpadowe proszki ceramiczne z innych gałęzi przemysłu jako wypełniacze uszczelnień, zapewniające wymaganą grubość uszczelki oraz obniżając jej koszt. Co więcej, zastosowanie opracowanej technologii zmniejsza ilość szkodliwych oparów oraz rozpuszczalników znajdujących się w zawiesinie do odlewania folii takich jak: toluen, metyloetyloketon czy etanol.

ISTOTA WYNALAZKU

Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania półproduktu (pasty do druku), półprodukt oraz sposób wykonywania uszczelki do urządzenia o konstrukcji warstwowej. Liczne urządzenia techniczne, w których zachodzi wymiana ciepła lub masy oraz procesy wymagające dużej, tj. rozwiniętej powierzchni najczęściej posiadają konstrukcję warstwową. Takie ułożenie powtarzających się grup elementów o zbliżonej lub jednakowej budowie pozwala w kompaktowy sposób zawrzeć w małej objętości znaczącą powierzchnię, której wymaga dany proces oraz minimalizację strat. Łączenie poszczególnych warstw wymaga zastosowania niezawodnych uszczelnień zapewniających długotrwałe działanie urządzenia. Nie są dostępne rozwiązania uszczelnień gotowe dla urządzeń pracujących w temperaturach powyżej 600-650°C. Powszechnie stosowanymi metodami wytwarzania takich uszczelnień jest odlewanie z folii oraz sitodruk, jednak posiadają one szereg wad. W przypadku odlewania, wiąże się ono z dużą ilością strat materiałowych, złożonością wymaganych procesów oraz trudnością w recyklingu materiałów. Sitodruk natomiast ograniczony jest do stosowania na płaskich elementach. Ponadto, wymaga przygotowania formy (sita) dla każdego kształtu i grubości warstwy, co utrudnia zmiany projektowe i szybkie prototypowanie. Wady te stanowiły motywację do zmiany technik wytwarzania uszczelek i wykonywanie pożądanych kształtów wprost na elementach stosu poprzez nanoszenie półproduktów w procesie analogicznym do drukowania. Opisywany wynalazek składa się z trzech etapów:
1. Sposób przygotowania półproduktu: półprodukt, którym jest pasta do druku składa się ze sproszkowanego materiału uszczelniającego, rozpuszczalnika oraz dodatków (spoiwo, plastyfikator) nadających paście odpowiednie właściwości. Przygotowując pastę składniki miesza się ze sobą w odpowiednich proporcjach aż do osiągnięcia jednorodności.
2. Półprodukt: jak już wcześniej wspomniano półproduktem jest pasta do druku uszczelnień. Jest ona cieczą nienewtonowską i cechuje ją wysoki efekt rozrzedzania ścinaniem. Półprodukt ten nadaje się do nanoszenia w druku 3D zarówno jednowarstwowo, jak i wielowarstwowo z etapem suszenia poprzedniej warstwy poprzedzającym naniesienie kolejnej. Istotnym jest, aby nadrukowana ścieżka zachowywała swój kształt i wysokość, jednocześnie łącząc się z kolejną ścieżką w taki sposób, aby stanowiły one równą, jednolitą powierzchnię.
3. Sposób wykonywania uszczelki: obejmuje on proces nanoszenia kształtu uszczelnienia z pasty za pomocą sterowanej dyszy ruchomej w przynajmniej dwóch wymiarach. Druk realizowany jest poprzez nacisk na tłok w sposób mechaniczny lub przy wykorzystaniu ciśnienia. Wówczas pasta znajdująca się w kartridżu zostaje przeciśnięta przez dysze o odpowiedniej geometrii i naniesiona bezpośrednio na podłoże. W zależności od pożądanego efektu (grubości i stopnia skomplikowania kształtu), dobierany jest sposób wypełnienia oraz ilość obrysów wydruku.
Tak przygotowaną uszczelkę poddaje się suszeniu, a następnie stanowi ona gotowy produkt do wykorzystania w wielowarstwowym urządzeniu wysokotemperaturowym. Zaletami opisanego wynalazku jest brak odpadów produkcyjnych oraz ograniczenie pojedynczych procesów, co obniża koszt uszczelnień w porównaniu do powszechnie stosowanych metod. Dodatkowo wykorzystanie druku 3D pozwala na bezpośrednie nanoszenie materiału na poszczególne uszczelniane elementy, co niweluje błędy związane z potrzebą pozycjonowania uszczelki na komponentach. Ponadto opracowana metoda charakteryzuje się wysoką jakością wykonanego uszczelnienia, powtarzalnością oraz łatwością w skalowaniu produkcji.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Wynalazek umożliwia komercjalizację stosów ogniw stałotlenkowych (SOC) do wytwarzania zielonego wodoru oraz czystej energii elektrycznej i ciepła np. z wodoru. Perspektywa komercjalizacji na rynku polskim wg Polskiej Strategii Wodorowej do 2030 roku ma powstać szereg instalacji ko- i poligeneracyjnych na potrzeby mieszkalnictwa i użyteczności publicznej (do 250 kW każda) w Polsce oraz 2 GW elektrolizerów. Przyjmując, że 15% elektrolizerów wykonanych zostanie w technologii SOE, którą rozwija wnioskodawca, wynalazek zostanie wykorzystany do wytworzenia ok. 20 milionów uszczelnień wysokotemperaturowych.
Dodatkowo stosy SOC mogą być wykorzystywane do magazynowania energii elektrycznej OZE pod postacią wodoru lub amoniaku. Metoda druku 3D uszczelnień takich urządzeń jest technologią łatwo skalowalną, bezodpadową oraz zapewnia powtarzalność procesu i daje możliwość otrzymania produktu wysokiej jakości, co wpływa na wysoką konkurencyjność i potencjał wdrożenia opisanego wynalazku.