Los investigadores han utilizado una técnica económica de impresión 3D para demostrar la fabricación de una pieza cerámica de forma muy compleja, que podría utilizarse en pilas de combustible, una tecnología prometedora para la generación de energía eléctrica eficiente y respetuosa con el medio ambiente.

Este estudio ha sido realizado por el Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología, en Moscú (Rusia) y que ha sido publicado por la revista Ceramics International.

 

La intrincada estructura cerámica, que no se puede obtener mediante técnicas de fabricación tradicionales, permitiría a las pilas de combustible producir más energía para poder eliminar más fuentes de energía derrochadoras antes.

 

Modelo (A) y fotografías de la estructura cerámica impresas en 3D por investigadores de Skoltech. Crédito: Igor Pchelintsev / www.new.skoltech.ru

 

Una de las alternativas a la quema de gas natural u otros combustibles fósiles en centrales eléctricas o motores de combustión es el uso de pilas de combustible de óxido sólido. Las SOFC ((pila de combustible de óxido sólido) pueden generar electricidad para instalaciones industriales u hogares, incluso en ubicaciones remotas fuera de la red, así como para barcos, automóviles e incluso satélites. Las principales ventajas son la eficiencia y la resiliencia, así como la sostenibilidad, mientras que las altas temperaturas de funcionamiento y la necesidad de nuevos materiales avanzados son los factores que obstaculizan su adopción generalizada.

 

Las SOFC generan electricidad consumiendo metano u otros hidrocarburos en el sitio, justo donde se necesita la energía, por lo que son una buena solución para la energía de respaldo y otros sistemas sensibles a cortes. La conversión de combustible en energía en las SOFC no implica combustión, lo que eleva su eficiencia eléctrica a aproximadamente el 60%, en comparación con el 45% de una central eléctrica alimentada por gas de ciclo simple. En ambos casos se puede recuperar parte del calor residual, aumentando la eficiencia, pero el resultado es que por cada metro cúbico de gas natural consumido, una pila de combustible producirá más electricidad que una central eléctrica.

 

En cuanto a los beneficios medioambientales, la oxidación de gas sin combustión en una pila de combustible no emite contaminantes como óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre ni partículas de aerosol nocivas con los gases de escape. Además, las emisiones de carbono en general son entre un 40% y un 50% más bajas para una pila de combustible de óxido sólido que funciona con gas natural en comparación con la red eléctrica nacional, según informan los fabricantes de SOFC.

 

Los componentes principales de una SOFC son un cátodo, un ánodo y una capa de material electrolítico cerámico entre ellos, cuya principal característica de mérito es la conductividad iónica. Determina qué tan bien el electrolito conduce los iones de oxígeno, facilitando la reacción química que produce energía útil. Cuanto mayor sea este parámetro, más potencia proporcionará la SOFC. La conductividad iónica depende del material del electrolito utilizado, de cómo está estructurado este material y de a qué temperatura funciona la pila de combustible.

 

 

Los investigadores de Skoltech abordaron el aspecto estructural, colocando dos materiales electrolíticos cerámicos comunes en una forma compleja llamada estructura reticular jerárquica. La estructura compleja maximiza la conductividad iónica, pero es inalcanzable sin tecnología avanzada de impresión 3D. Los materiales utilizados por el equipo se conocen como circonio estabilizado con escandia y circonio estabilizado con itria. Los primeros son adecuados para SOFC que funcionan a 1.000 grados Celsius, los segundos a aproximadamente 750 C. Ambos fueron introducidos en una impresora 3D, que se basa en la tecnología de microestereolitografía, y en un proyector de películas, nada menos.

 

El equipo montó un sistema de demostración de bajo coste para la impresión 3D de alta precisión. A medida que se fabrica la pieza cerámica, es necesario exponerla a luz ultravioleta para curar (endurecer) el aglutinante polimérico que mantiene unido el material, lo que da como resultado un producto semiacabado, técnicamente conocido como pieza verde 3D. La luz debe entregarse con mucha precisión si se desea una estructura compleja. Para lograr esto en su impresora de demostración, los investigadores utilizaron un proyector de oficina basado en la tecnología de procesamiento de luz digital, un dispositivo que se usa a menudo para presentaciones de oficina y similares.

 

Después de la impresión 3D, el aglutinante polimérico curado con UV se quema en el horno de la pieza semiacabada. En la etapa final, la muestra de cerámica porosa se sinteriza para eliminar la porosidad residual y darle resistencia a la cerámica. El autor principal del estudio, Igor Pchelintsev, ex alumno de maestría de Skoltech, sugirió una solución innovadora que equivale a combinar los dos pasos (quemado y sinterización) en un solo proceso. El equipo de investigación desarrolló, describió y llevó a cabo el procedimiento de impresión 3D, incluida la optimización de la composición de la pasta de impresión, el posprocesamiento de los artículos fabricados y la prueba de sus propiedades eléctricas.

 

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