Inkjet-printer kan lave lag til brændselscelle
Foto: DTU
Mange energiteknologier bygger på komponenter, der består af tynde, funktionelle lag. Det gælder f.eks. solceller og keramiske brændselsceller (SOFC). Og ofte gælder det, at effektiviteten er højere, jo tyndere lagene er. Derfor er det vigtigt at have en billig, pålidelig og industrielt skalerbar produktionsteknik til at fremstille de tynde lag. Nu har det vist sig at printning af tyndfilm ved hjælp af en let ombygget standardprinter med blækpatroner er en meget lovende mulighed.
For fire år siden gik udviklingsingeniør Christophe Gadea sammen med forskerkolleger på DTU Energi om at ombygge en almindelig HP-printer, så den kunne printe tynde lag til brug i bl.a. keramiske brændselsceller. Det gør både fremstillingsprisen på de enkelte celler lavere, og det reducerer den tid, forskerne skal bruge på den udviklingscyklus af design-prototype-test, der ligger bag al forskning i energiteknologier.
Billig printer, stor opmærksomhed
- Vi kunne udskrive et funktionelt, oxidbaseret tyndfilmlag på en mikrometers tykkelse ved hjælp af en helt almindelig, let ombygget HP 1000 inkjetprinter, der kostede få hundrede kroner. Det var banebrydende for fire år siden og medførte meget opmærksomhed og mange citationer, siger udviklingsingeniør Christophe Gadea, der ombyggede printeren og gjorde den brugbar. Nu har Christophe så brugt tre år med et ph.d.-projekt, hvor teknikken blev forfinet og videreudviklet.
- Jeg er ingeniør specialiseret i keramiske materialer, og jeg kan godt lide computerbaserede teknologier, så jeg tog det som en udfordring.
Han kan nu tilføje titlen ph.d. på visitkortet efter at have forsvaret sin ph.d.-afhandling “Smart nano-inks for inkjet printing of functional oxide based thin films” hos DTU Energi.
En inkjetprinter virker ved at sprøjte meget små dråber (ca. 10-12 l) ned på et underlag. Det er en teknik, hvor man ikke kommer i berøring med underlaget eller behøver at afmaske det for at lave meget komplekse mønstre med stor nøjagtighed af dråberne (≈ 5 μm mellemrum). Det går hurtigt og er billigt, men i stedet for normalt blæk skal man bruge særligt udviklede væsker med de ønskede materialer.
- Et kritisk aspekt ved at bruge printere til at lave tyndfilm er blækkets sammensætning og stabilitet. Ustabilitet kan føre til uønsket tilstopning af dyserne og ujævn udskrivning, hvilket reducerer den færdige brændselscelles ydeevne, siger Christophe Gadea.
I sin afhandling undersøgte han udskriftskvaliteten og stabiliteten af tre forskellige måder at sammensætte blækket på.
Nanopartikler kan styres
- Det mest lovende resultat var at benytte en sol-gel. Det er en opløsning som reagerer med vand og danner bittesmå nanopartikler, hvilket er meget nyttigt i produktionen af keramiske energimaterialer. Når opløsningen er tilpasset en blækprinter, kan man styre reaktionen, siger Christophe Gadea.
Han fremstillede tynde lag af både zirkonium- og titanoxidbaserede materialer på blækprinteren, og viste blækkenes alsidighed ved at benytte forskellige principper til at sprøjte dråberne ud af printeren.
Efter sit store arbejde med inkjet-print i sit ph.d.-projekt kan Christophe pege på metodens store potentiale som fremstillingsmetode til brændselsceller som et alternativ til mere traditionelle deponeringsteknikker.
- Jeg blev færdig som ingeniør for otte år siden fra Ecole Nationale Supérieure de Céramique Industrielle i Frankrig, så det tog lidt mod og omstillingsparathed at gå tilbage til skolebænken og lave en ph.d. Men det var det hele værd, og det hjalp meget at have både erhvervserfaring og praktisk viden om materialer, siger Christophe Gadea.
Han anså tidligere forskning uden ingeniørvidenskab for at være ren filosofi. Nu, efter at have været helt inde i forskningens verden og lave sin ph.d., ved han, at begge er ligeværdige partnere.
- Jeg hører hjemme i laboratoriet, for jeg elsker at løse praktiske problemer, men jeg er blevet meget mere systematisk, mere struktureret i min tilgang, og jeg skynder mig ikke længere hen i laboratoriet, hver gang jeg får en ide. Jeg har lært at tjekke ideen i litteraturen og først se efter andre løsninger. Jeg synes, at det at have to forskellige tilgange til problemløsning er virkeligt godt.
Christophe Gadea er nu vendt tilbage til jobbet som udviklingsingeniør ved DTU Energi, hvilket altid var en del af planen, hvor han arbejder med alkalisk elektrolyse til fremstilling af brint.
Artiklen er bragt i samarbejde med DTU
