3D printing of ceramic-based complex structures for SOFC/SOEC applications

Resum

La transició energètica és essencial en les estratègies de descarbonització del escenari actual. En aquest context, mostra especial interès la integració de les Cèl·lules d’Òxid Sòlid (SOCs) en la xarxa energètica global centrada en l’hidrogen verd. Les SOCs destaquen per la seva alta eficiència en la generació d’energia i la producció d’hidrogen. La seva naturalesa reversible les posiciona com a candidates clau per a rutes Power-to-Gas i Gas-to-Power. A més, la sinergia entre les SOCs i els reactors de metanització de CO₂ millora la seva compatibilitat amb xarxes de distribució de gas existents, com avantatge addicional. Malgrat el potencial de les SOCs, el seu desenvolupament està limitat per tècniques convencionals de fabricació ceràmica, com el tape-casting, la serigrafia i l'extrusió, que restringeixen les geometries a formes simples, cosa que redueix la densitat de potència i l'estabilitat. Els processos manuals d’apilat, unió i segellat augmenten significativament els costos i els temps de producció de les SOCs. En canvi, les tecnologies de fabricació additiva han demostrat un gran potencial per transformar la producció de ceràmiques funcionals, especialment en la fabricació de SOCs. L’ús de la impressió 3D permet augmentar la complexitat geomètrica mitjançant dissenys jeràrquics del sistema o l’addició de característiques atípiques a nivell de les cel·les ceràmiques, optimitzant simultàniament el procés de fabricació , reduint la inversió inicial i millorant l'eficiència en reduir els passos de producció. Aquest treball explora el potencial de la fabricació additiva en la producció de ceràmiques avançades, centrant-se en dos aspectes clau: (i) l’ús d’estereolitografia (SLA) per fabricar dispositius energètics i catalítics amb dissenys complexos i una alta relació d’aspecte; i (ii) el desenvolupament d’una tècnica híbrida multimaterial per a la fabricació en dos passos de SOCs autosuportades, combinant SLA i robocasting (RC), seguit d’una co-sinterització complexa dels materials. La investigació aborda els principals reptes tecnològics i dels materials en la fabricació de SOCs autosostingudes mitjançant tecnologia híbrida multimaterial. La combinació de SLA i RC, seguida d’una co-sinterització optimitzada de dispositius multicapa, ha estat complexa però ha demostrat un alt nivell d'innovació ii impacte. La caracterització electroquímica de les SOCs impreses i co-sinteritzades en condicions d’operació tant de cèl·lula de combustible com d’electròlisi ha validat tots els passos optimitzats d’aquesta metodologia innovadora. A més, s’han dissenyat i fabricat SOCs monolítiques basades en zirconi amb una configuració de doble espiral mitjançant SLA, demostrant la capacitat de la fabricació additiva per produir dispositius autosuportats sense unions i amb una complexitat jeràrquica, amb l’objectiu d’augmentar el rendiment electroquímic per unitat de massa i volum. Com a alternativa a les SOCs, es van desenvolupar suports catalítics d’alúmina per a la reacció de metanització de CO₂. Aquests suports impresos en 3D van ser caracteritzats, mostrant una millora en el rendiment catalític gràcies a l’optimització de la geometria estructural. En resum, aquest manuscrit presenta un estudi exhaustiu sobre l’aplicació de tecnologies de fabricació additiva en la producció de dispositius ceràmics funcionals innovadors per a diverses aplicacions energètiques. El desenvolupament i l’optimització de noves rutes basades en la impressió 3D ofereixen un gran potencial per superar les limitacions de les tècniques convencionals de processament ceràmic i obrir el camí cap a una major digitalització en la fabricació de SOCs.

Data del Ajut	15 de nov. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Alberto Tarancon Rubio (Director/a) & Marc Torrell Faro (Director/a)