Die Nutzung von 3D-Drucktechnologien durch HyP3D zur Herstellung fortschrittlicher Festoxidzellen (SOC) könnte die Effizienz und Haltbarkeit dieser Zellen erheblich verbessern. SOCs sind vielversprechend für die Speicherung erneuerbarer Energien durch reversible Prozesse, doch herkömmliche keramische Herstellungsverfahren schränken ihre Effizienz und ihr Potenzial ein.
Experimenteller Ansatz
Ein kürzlich in der Zeitschrift Journal of Power Sources veröffentlichter Artikel mit dem Titel „3D-Druck von reversiblen Festoxid-Zellenstapeln zur effizienten Wasserstoffproduktion und Stromerzeugung“ befasst sich mit neuen Ansätzen zur Verbesserung von SOCs. „Einige der relevantesten und disruptivsten Ansätze auf Zellen- und Stapelniveau waren die flachen röhrenförmigen Zellarchitekturen, integrierte planare Zellen auf porösen Substraten, die von Rolls-Royce vorgeschlagen wurden…“, heißt es in dem Artikel. Weiterhin wird betont, dass neue Fertigungstechnologien wie der 3D-Druck die Erstellung komplexer Geometrien ermöglichen und somit neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Designs in SOCs und anderen Energietechnologien eröffnen.
Der Artikel untersucht ein ultra-kompaktes SOC-Stapeldesign unter Verwendung von standardgroßen, 3D-gedruckten, elektrolytunterstützten wellenförmigen Zellen. Die Elektrolyt-unterstützten 3YSZ-Zellen wurden auf einem industriellen SLA-3D-Drucker (Ceramaker C1000 FLEXMATIC) mit der Rakel-Methode produziert. CAD-Modelle der wellenförmigen Zellen wurden in den Drucker importiert und in 50-μm-Schichten geschnitten. Der 3YSZ-Schlicker von 3DCERAM SINTO wurde auf die 300 x 300 mm Plattform aufgetragen, mit einem Laser gehärtet und die Plattform um 50 μm pro Schicht abgesenkt. Diese Sequenz wurde wiederholt, bis der Elektrolyt vollständig war. Überschüssiger Schlicker wurde abgelassen und ungehärtete Paste wiederverwendet.
Vielversprechende Ergebnisse
Die experimentellen Ergebnisse sind sehr ermutigend. Die Bilder zeigen fehlerfreie YSZ-Komponenten mit einzigartigen Merkmalen wie dünnen wellenförmigen Elektrolytmembranen, eingebetteten Gaskanälen, Ein-/Auslassöffnungen und Dichtungsrahmen. Die wellenförmige Membran erhöht die aktive Fläche um 60 % im Vergleich zu flachen Zellen, von 45 cm² auf 72 cm², und verbessert die Kraftstoff-/Luftverteilung sowie die mechanische Festigkeit während der Verarbeitung.
Auf der Produktionsseite erwies sich der 3D-Druckprozess als äußerst robust und erzielte eine Produktionsrate von über 85 % für die komplexen Zellendesigns. Die gleichbleibend hohe Qualität und Reproduzierbarkeit der Zellen ermöglichte die anschließende Herstellung und Validierung vollständiger Stapel, die die komplex geformten Zellkomponenten enthielten.
„Insgesamt zeigten die Ergebnisse sowohl im SOEC- als auch im SOFC-Modus eine gute Leistung des Teilstapels.“ Die Leistungs- und Betriebsstabilitätstests, die im vollständigen Artikel detailliert beschrieben sind, zeigten die überlegene Leistung und Haltbarkeit des vorgeschlagenen innovativen Designs und bestätigten dessen Eignung für die Skalierung auf Kilowatt-Bereich-Systeme.