По данным Технического университета Дании (DTU), исследователи, возможно, решили ключевую задачу в области устойчивой энергетики: создание лёгких и достаточно мощных топливных элементов для аэрокосмической отрасли. В рамках сотрудничества DTU Energy и DTU Construct команда радикально переработала твердооксидные элементы (SOC), используя 3D-печать и геометрию гироидов. Эта математически оптимизированная структура, используемая в крыльях бабочек и теплообменниках , лёгкая, прочная и имеет большую площадь поверхности. Впервые она применена в электрохимических устройствах, таких как SOC.

Обычные топливные элементы тяжёлые, более 75% их веса приходится на металлические уплотнения и соединительные элементы. Это ограничивает их применение в мобильных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность . С аккумуляторами дела обстоят не лучше: замена 70 тонн топлива самолёта на литий-ионные батареи увеличит его вес до 3500 тонн, что сделает взлёт невозможным.

В журнале Nature Energy учёные из ДТУ сообщают о новом полностью керамическом топливном элементе, созданном с помощью 3D-печати. ​​Известный как монолитный гироидный твёрдооксидный элемент («Монолит»), он использует конструкцию с трёхпериодической минимальной поверхностью (TPMS) для максимального увеличения площади поверхности при минимальном весе. Этот элемент обеспечивает мощность более одного ватта на грамм, что является первым в данной области.

«В настоящее время использование технологий преобразования энергии на основе электричества, таких как аккумуляторы и топливные элементы , нецелесообразно для аэрокосмической отрасли. Но наша новая конструкция топливного элемента меняет ситуацию», — заявил старший научный сотрудник Венката Картик Надимпалли. «Это первый пример достижения необходимого для аэрокосмической отрасли соотношения ватт/грамм (или удельной мощности) при использовании устойчивой, экологичной технологии».

Топливные элементы уже обеспечивают водородные автомобили, корабли, центры обработки данных и больницы, а также могут хранить возобновляемую энергию посредством электролиза. Новая конструкция DTU обладает рядом преимуществ: эффективным потоком газа, улучшенным распределением тепла, повышенной стабильностью и производством водорода почти в десять раз быстрее, чем в традиционных системах.

«Мы также протестировали систему в экстремальных условиях, включая перепады температур до 100°C, и многократно переключались между режимами работы топливных элементов и электролиза. Топливные элементы выдержали испытание на прочность, не показав никаких признаков структурных разрушений или расслоения слоёв», — сказал профессор Винченцо Эспозито.

Такая устойчивость может быть полезна для таких миссий, как проект MOXIE НАСА, в рамках которого кислород производится из богатой CO₂ атмосферы Марса. Современные блоки MOXIE весят более шести тонн; конструкция DTU может снизить этот вес до 800 кг.

Производство также оптимизировано. «В то время как традиционные стеки SOC требуют десятков этапов производства и используют множество материалов, которые со временем деградируют, наша монолитная керамическая конструкция производится всего за пять этапов, что позволяет нам отказаться от металла и избежать хрупких уплотнений», — сказал Надимпалли. Он добавил, что более тонкие электролиты, более дешёвые коллекторы и компактная конструкция могут ещё больше повысить производительность.

Источник