3D-Druck soll Brennstoffzellen umweltfreundlicher machen
Forscher des spanischen Katalonien-Instituts für Energieforschung und der katalanischen Institution für Forschung und fortgeschrittene Studien haben den keramischen 3D-Druck zur Herstellung einer neuen Familie der Festoxidbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs) verwendet.
Unter Verwendung des SLA-3D-Drucks entwickelte das Forschungsteam einen neuen Ansatz für die Brennstoffzellenproduktion, der eine direkte Kapazitätssteigerung ermöglichen soll. Die “neue Generation” grüner Energiezellen, die keine umweltschädlichen Gase emittieren, könnte nun in Anwendungen zur Endnutzung der Stromerzeugung oder zur Schaffung verbesserter Energiespeicher eingesetzt werden.
Die Festoxidbrennstoffzelle ist eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur von 650–1000 °C betrieben wird. Der Elektrolyt dieses Zelltyps besteht aus einem festen keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, aber für Elektronen isolierend wirkt. Im Unterschied zu Wärmekraftmaschinen mit nachgeschaltetem Generator wie z. B. Gaskraftwerken, die die chemische Energie in Wärme, Kraft und dann in Strom umwandeln, wird in Brennstoffzellen der Strom (neben Wärme) direkt erzeugt. Damit ist ihr Wirkungsgrad nicht durch die thermodynamischen Grenzen des Carnot-Prozesses begrenzt, und der theoretische Wirkungsgrad ist sehr hoch.
In der Arbeit beschäftigten sich die Forscher mit der Möglichkeit des 3D-Drucks in dem Bereich, denn die additive Fertigung bietet mehr Designfreiheit. Es wurde im Rahmen der wissenschaftlichen Studie eine neue Familie hochleistungsfähiger elektrolytgestützter Festoxidzellen mithilfe der Stereolithografie hergestellt. Konventionelle planare und gewellte Elektrolyte mit hohem Aspektverhältnis wurden mit Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid 3D-gedruckt, um Festoxidzellen herzustellen. Gewellte Geräte wiesen eine Leistungssteigerung von 57% im Brennstoffzellen- und Ko-Elektrolyse-Modus auf, was direkt proportional zur Flächenvergrößerung im Vergleich zu den planaren Pendants ist. Diese Verbesserung durch das Design in Verbindung mit der erwiesenen Haltbarkeit der gedruckten Geräte (weniger als 35 mV/1000 h) stellt einen radikal neuen Ansatz in diesem Bereich dar und lässt einen starken Einfluss auf zukünftige Generationen von Festoxidzellen und ganz allgemein auf alle Festkörperenergieumwandlungs- oder -speichervorrichtungen erwarten.
Die gesamte Studie erschien unter dem Titel “3D printing the next generation of enhanced solid oxide fuel and electrolysis cells” und kann hier abgerufen werden.