La DTU impulsa un cambio de paradigma en las SOFC con giroides monolíticos de circonio impresos mediante LCM
Al definir la relación potencia-peso como el parámetro clave para que las SOFC impulsen el rendimiento y las cualidades de largo alcance del transporte propulsado por hidrógeno al siguiente nivel, el equipo desarrolló SOFC monolíticas con geometrías de giroides de pared delgada inspiradas en la naturaleza, fabricadas con circonio estabilizado con itria (8YSZ) e impresas en su unidad Lithoz CeraFab, adquirida recientemente.
El trabajo se llevó a cabo en colaboración con investigadores de DTU Construct, con la participación del profesor asociado Venkata Karthik Nadimpalli, quien aportó su experiencia en comportamiento mecánico y optimización estructural de materiales cerámicos de diseño arquitectónico. La colaboración ayudó a evaluar la estabilidad estructural de la arquitectura giroide de paredes delgadas en condiciones térmicas y operativas.
A nivel del dispositivo, la arquitectura presenta relaciones potencia-peso que se acercan a 1 W g-1, en comparación con los aproximadamente 0,2 W g-1 típicos de las arquitecturas planas convencionales de SOFC. “Esta innovación supone un auténtico cambio de paradigma, pasando del apilamiento plano a las arquitecturas monolíticas”, explica el profesor Esposito.
Este alejamiento del apilamiento de elementos planos tiene un fuerte impacto disruptivo en la búsqueda de un mayor potencial de densidad de potencia en la propulsión por hidrógeno, ya que la combinación de paredes internas delgadas con la eliminación de interconexiones y selladores da lugar a una drástica reducción de peso, a una menor discrepancia térmica y a una menor tensión mecánica, todo ello al tiempo que mejora significativamente la utilización del volumen disponible. Las SOFC creadas ahora, notablemente compactas y ligeras, permiten replantearse por completo los diseños de motores de hidrógeno de largo alcance y ultracompactos para todo tipo de transporte por agua, por tierra y, en particular, por aire.
El profesor Esposito afirma: “Nuestro lema, ‘Escaping Flatland’, parece un paso lógico, pero durante mucho tiempo ha sido imposible de alcanzar. La disposición específica de los materiales y las microestructuras requiere un nivel de complejidad considerablemente elevado, pero hasta hace poco simplemente carecíamos de la herramienta necesaria para hacer realidad este concepto. El 8YSZ sigue siendo uno de los materiales electrolíticos más utilizados y tecnológicamente maduros para las SOFC. Gracias a su precisión y escalabilidad consolidadas, la tecnología LCM de Lithoz ha demostrado la máxima repetibilidad para estas geometrías TPMS bioinspiradas con las paredes internas más finas posibles, que cumplen de forma inherente los requisitos de suministro de gas. El concepto monolítico solo pudo lograrse replicando con precisión esas unidades giroides y añadiendo un marco de carcasa sellada para mantener condiciones de estanqueidad al gas”.
Johannes Homa, director general de Lithoz, añade: “Al fabricar pilas de combustible monolíticas de 8YSZ con complejas geometrías giroidales en su impresora Lithoz CeraFab, la DTU logró reducir la dependencia de las arquitecturas convencionales de interconexión y sellado propias de los elementos planos apilados. Estos elementos han sido tradicionalmente el talón de Aquiles en la búsqueda de una mayor densidad de potencia en las pilas planas comerciales de SOFC y, por lo tanto, el foco tradicional de atención en la búsqueda de una relación potencia-peso más ventajosa. Con su revolucionario concepto monolítico, estos elementos eliminan la necesidad de optimizar gradualmente los puntos de salida, allanando el camino para un replanteamiento completo del diseño de las pilas de combustible. Por supuesto, estamos muy ilusionados con el impacto que esto tendrá en la industria mundial basada en el hidrógeno”.
Ahora que la fase de diseño y pruebas en DTU Energy ha concluido, el equipo del profesor Esposito tiene previsto ampliar el proyecto a escala industrial.
