Proyecto pionero subvencionado por la Unión Europea a través de la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU)

Cell3Ditor: fabricación de una pila de combustible cerámica de alta temperatura mediante impresión 3D multimaterial

Álex Morata, Deputy Project Coordinator, Institut de Recerca en Energia de Catalunya- IREC21/04/2017

Las tecnologías de impresión 3D se están desplegando en todos los ámbitos industriales, incrementando vertiginosamente su importancia en el prototipado o fabricación de componentes. El abanico de posibilidades y nichos de aplicación se incrementa al sumarse a la más común y extendida impresión 3D de plástico otras diversas familias como metales, semiconductores o cerámicas. La capacidad de estas tecnologías para la materialización de piezas individualizadas y con geometrías complejas son inasumibles por tecnologías tradicionales, lo que les confiere competitividad en la fabricación de productos de un alto valor añadido. Uno de los retos que actualmente está abordando la comunidad consiste en la introducción de funcionalidades a los componentes imprimidos. De este modo se pretende promocionar el papel tradicionalmente estructural de los productos a un rol eminentemente activo, de interacción con el entorno. El reto consiste en explotar las mencionadas capacidades de la impresión 3D en la fabricación de dispositivos tales como sensores, baterías, reactores químicos etc.

En este contexto, el Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC) lidera un proyecto pionero, en colaboración con centros de investigación y empresas a nivel europeo, que tiene como fin el desarrollo de tecnologías de impresión 3D multimaterial de cerámicas para la fabricación de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC, según sus siglas en inglés).

El proyecto, denominado Cell3Ditor, ha sido subvencionado por la Unión Europea a través de la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH-JU). El objetivo del mismo consiste en cubrir todos los elementos de la cadena de valor de la tecnología, desde la fabricación de materiales hasta el ensamblado y comercialización del dispositivo final.

Una pila SOFC es un dispositivo de alta temperatura, típicamente entre 700 y 800 °C, utilizado para la conversión de la energía química de un combustible gaseoso en electricidad y calor, alcanzando eficiencias globales superiores al 90%. La consumación de una implantación generalizada de esta tecnología depende principalmente de aspectos relativos a su durabilidad y ciclado, así como de una reducción de los costes asociados a su producción.

Los procesos de fabricación actuales constan de más de 100 etapas en la que los distintos componentes se producen por separado y se ensamblan mediante sellos vítreos. Esta complejidad incrementa enormemente los costes, tanto de producción como de inversión inicial, estimada en torno a 4,8 millones de euros, y reduce la flexibilidad en la introducción de innovaciones.

Se espera que el uso de la impresión 3D tenga un impacto directo en todos estos obstáculos. Por un lado, la ausencia de juntas y ensamblados conferiría una gran robustez a los dispositivos e incrementaría su capacidad de operación dinámica. Por otro, la simplificación del proceso de fabricación (una única etapa en este caso) reduciría, según estimaciones, los costes de fabricación y la inversión inicial a un tercio del actual.

Representación proyecto Cell3Ditor. Distintos elementos de la cadena de valor y miembros del consorcio dedicados a cada uno de ellos.

La fabricación de una pila SOFC constituye una extensión de las fronteras actuales de la tecnología de impresión cerámica. A la innovación que supone la incorporación de funcionalidad a las piezas se suma la impresión de cuatro distintos materiales de forma selectiva, los necesarios para fabricar un dispositivo completo en un único proceso. Para ello, juntamente con el fabricante 3DCeram, se ha adaptado una impresora basada en estereolitográfía (Ceramaker) para dotarla de capacidad para la impresión multimaterial. El proyecto cuenta con un grupo de empresas y centros de investigación europeos (Promethean Particles, Hygear Fuel Cell Systems, Saan Energi, Denmark Technical University) y nacionales (FAE, Universidad de La Laguna) especializados en la fabricación de tintas, pastas y sistemas generadores de energía.

Según estimaciones, una impresora como la que se plantea debería ser capaz de fabricar simultáneamente 4 pilas de 5 kW, suponiendo una producción aproximada entorno a 1.000 unidades anuales. El coste final por unidad se mantendría por debajo de 500€, un 59% inferior al del sistema estándar actual. La unificación de las etapas de fabricación y conformado en un mismo proceso, utilizando un único equipo reduce significativamente la inversión inicial, estimada en 1,6 millones de euros. Este valor supone un coste de capital por debajo de 120€, lo que representa una reducción del 72% comparado con las tecnologías convencionales.

Esquema del sistema planteado en el proyecto Cell3Ditor (arriba). Imagen de la impresora y primeras celdas fabricadas y testadas en IREC (abajo).

A las ventajas económicas se han de sumar una alta eficiencia en el uso de materiales y energía. La eficiencia en el La eliminación de las múltiples etapas de calcinación y sinterización a alta temperatura de los procesos actualmente utilizados se reducirían a un único proceso, con el consecuente ahorro en consumo eléctrico.

En el actual estadio del proyecto, se están desarrollando los distintos materiales y técnicas de impresión que se incorporarán a la fabricación del dispositivo. La evaluación de la conductividad de oxígeno y la estanqueidad del electrolito ha sido probada en membranas autosostenidas de 200 µm, que constituirán la unidad de la celda que se ha de repetir para dar lugar al dispositivo completo. Simultáneamente, con el fin de explorar las posibilidades únicas de la nueva tecnología, se han fabricado membranas con área activa incrementada, de motivos y estructuras periódicas.

En el compromiso de difusión de los resultados, el proyecto Cell3Ditor consta de una página web —http://www.cell3ditor.eu— y una cuenta de Twitter (@cell3ditor) en las que se podrá consultar el día a día del progreso de la tecnología de impresión 3D de multi-material cerámico para la fabricación de dispositivos SOFC.

Membranas de electrolitos cerámicos (100 µm de grosor). Distintas configuraciones son exploradas con el fin de incrementar el área activa y conferir una mayor estabilidad estructural.