功率提高四倍，材料减少七成！陶瓷3D打印技术在SOEC制氢中的作用

　　当我们开始讨论增材制造(AM)的可再生能源转型是什么样子时，一个关键的焦点自然而然的放在了金属3D打印技术(如LPBF)的作用上。有趣的是，今年欧洲各地出现了各种项目，并证明了陶瓷3D打印作为理想的生产候选产品的能力，可以使氢经济更接近有效实施。3DCeram通过欧洲HyP3D项目展示了这些功能的方式和原因。

　　从制造的角度来看，AM在氢气生产中的作用通常很难证明。理论上，AM在任何生产中的能力都可以很容易地概述；在实践中，这一特定部分的应用并不真正为人所知，因此很难理解该技术的实际作用。

　　欧洲HyP3D项目及其与氢气生产的联系

　　到目前为止，利用可再生能源生产绿色氢气的一种有前景的方法是依靠电解。

　　电解过程包括用电将水分解成氢气和氧气。在可用于实现该反应的不同类型的电解系统中，基于高温固体氧化物电解槽（SOECs）的电解系统通常是最有效的。问题是，它们高温高压的运行条件减缓了其发展速度。

　　欧洲HyP3D旨在通过证明突破性高压固体氧化物电解槽（SOEC）技术的可行性来解决这一限制。在该项目的核心，可以找到广泛的研究和行业专家：行业方面的IREC、DTU、PoliTo和BSC，以及VAC-TRON、H2B2、SNAM和3DCERAM。

　　为了开发一种超紧凑、高压的独立SOEC电池组，将电力转化为压缩氢气，该集团将利用包括3D打印在内的多种技术解决方案。这项研究的一个关键里程碑将是开发3D打印的SOEC电池，该电池具有70cm²的实质活性面积、嵌入的功能，并且能够在850ºC和5+bar压力的条件下，在超过0.90A/cm²（~1.3V）的极高电流密度下实现氢气生产。

　　那么，3D打印究竟是如何在这个层面上使用的呢？

　　3DEram的SLA 3D打印如何帮助重新定义氢气生产的前景。

　　3DEram由Richard GAIGNON和Christophe Chaput于2001年创立，在基于SLA技术的陶瓷3D打印机制造方面积累了丰富的专业知识。随着时间的推移，该公司的产品已发展到支持整个价值链中的客户。

　　该公司表示：“当谈到工业化时，立体光刻成为一项重要的资产，因为它是一个自上而下的构建过程。”

　　“这意味着这些层是从下到上建造的，而不需要使用许多支撑件。这是一个需要考虑的关键点。打印后，零件会被清洁，支撑件越少，操作就越容易、越快，同时也降低了支撑件拆卸过程中可能断裂而造成的浪费风险。”

　　作为该项目的一部分，3DCera的职责将是定义和实现在研究层面建立的应用场景。这意味着开发一个复杂的优化过程，找到可打印的原料Zr8Y、3D打印参数和热处理。

　　为了实现他们的最终目标——生产反映最终电池尺寸的复杂形状零件——该团队将经历许多不同的步骤：从设计最佳程序到研究流变行为和打印测试，以及通过使用商业YSZ粉末配制SLA 3D打印的专用浆料。

　　生产将依靠该公司的C1000 FLEXMATIC 3D打印机，该打印机旨在推动整个过程的自动化。

　　这条半自动生产线采用了一个320*320mm的构建平台，符合该项目的工业目标。去年推出的3D打印机设计有两种激光选项，可以满足不同的生产需求。其自动化能力确保了未固化材料的回收阶段以及零件和托盘的清洁阶段。打印过程使我们能够节省时间，因为3D打印的零件几乎不需要支撑。

　　为什么3DEram的SLA 3D打印是该项目的理想候选产品？

　　为了更好地了解3DEram的技术所带来的功能，重要的是要记住，这些零件仍然是通过传统的制造技术（如胶带铸造）制造的。该制造工艺的挑战是难以确保生坯带浆料的流变特性，从而实现电解质性能。除此之外，制造过程产生了一个平坦的、非功能化的电池，因此最终的过程并不总是理想的。

　　相反，SLA 3D打印为单元提供了复杂的几何形状，允许改变表面形状，并添加气体路径以优化需要的零件。

　　3DEra报告称，3D打印的超高功率密度SOEC电堆在紧凑的630cm3体积内提供2.14kW的功率输出。这意味着单位体积的比功率增加了三倍，达到3.4kW/m3，单位质量的比功率提高了四倍，达到1.10kW/kg。这些结果目前超过了行业的任何基准。

　　这对能源行业意味着什么？

　　作为HyP3D项目的关键合作伙伴，3DCeram正在通过展示大规模生产3D打印SOEC电池的自动化能力来突破其技术的界限。

　　目前，该公司已经展示了陶瓷3D打印在能源等关键领域的潜力。3DEram拥有机器人和自动化生产系统，可以处理从零件设计到烧制的所有阶段，准备用其技术帮助能源行业实现规模化生产。

　　虽然使用C1000 FLEXMATIC 3D打印机，3DEram已经实现了整个过程的自动化（从刮削到激光策略，再到准备打印的陶瓷配方的质量，再到回收和后处理），但应该注意的是，该公司的生产线包括体积更大的C3600 ULTIMATE等3D打印机。我们的猜测是，这些3D打印机也适用于工业生产。

　　同时，重要的是要记住，HyP3D的愿景并不局限于实现密集、结构坚固的组件。3DEram目前正在加倍努力开发和建模一个用于生产氢气的电解电池组。通过与应用能源研究卓越中心IREC密切合作，该公司现在将专注于优化打印策略，确保可靠性并最大限度地提高产量。

　　如果该项目成功——很可能会取得有希望的初步成果——它将有助于实现以下目标：与传统制造工艺相比，推进氢经济，大幅缩短上市时间，将原材料消耗削减76%，并将初始投资减少42%。

　　（素材来自：HyP3D 全球氢能网、新能源网综合）