3D printed ceramic fuel and electrolysis cells for energy applications

Al giorno d'oggi, la consapevolezza consolidata del cambiamento climatico causato dalle attività antropogeniche promuove lo sviluppo della società umana verso uno scenario di neutralità climatica con zero emissioni di gas serra. In questo ambito l'integrazione delle fonti di energia rinnovabile (ER) nel sistema energetico è diventata una strategia chiave per ridurre il consumo di combustibili fossili e promuovere la transizione verso un sistema energetico sostenibile. Tuttavia, le ER sono intrinsecamente limitate dalla loro stessa natura intermittente. Per questo motivo, si stanno sviluppando metodi puliti per la conversione e lo stoccaggio dell'energia. In particolare l'utilizzo dell'idrogeno come vettore energetico è emerso come una soluzione efficace ed ecologica. Tra le varie tecnologie sviluppate per la produzione di idrogeno, le Solid Oxide Cells (SOCs) sono dispositivi interessanti per la loro reversibilità e l'alta efficienza garantita dall'alta temperatura di funzionamento. Tuttavia, la produzione di questi dispositivi energetici multi-materiale continua ad essere uno svantaggio, in quanto comporta un processo costoso e lungo che richiede diverse fasi di produzione e assemblaggio. Attualmente, la stampa 3D sta guidando le soluzioni di prototipazione in molti laboratori di ricerca e sviluppo. La comunità della stampa 3D ha vissuto un'importante impennata negli ultimi anni, diventando facilmente accessibile. La stampa 3D copre una vasta gamma di materiali tra cui i tipici materiali ceramici utilizzati per l'applicazione SOC. In particolare per i materiali ceramici, alcune delle geometrie più complesse sono fabbricabili solo utilizzando la stampa 3D. Questo lavoro si concentra sull'implementazione dell'Additive Manufacturing (AM) tramite stampa 3D per la fabbricazione di SOC. La stereolitografia (SL) è stata utilizzata per produrre design innovativi di SOC. In particolare, è stato fabbricato un elettrolita piatto di grande superficie (60x95 mm2) di 3YSZ ed è stato caratterizzato in configurazione simmetrica ottenendo una resistenza specifica di area dell'elettrolita (ASR) di ≅ 11 Ωcm^2 a 800°C. Inoltre, le celle progettate a spirale sono state costruite e funzionalizzate. L'utilizzo di questa tecnologia innovativa, che comporta flessibilità nella progettazione, fabbricazione di geometrie complesse con alta risoluzione e massimo risparmio di materiale, aprirà nuovi gradi di libertà nella progettazione di celle SOC, fornendo vantaggi sia nella lavorazione che nelle prestazioni del dispositivo.