Топливный элемент полностью изготовлен из керамики, что исключает использование тяжелых металлических компонентов, которые составляют более 75% веса обычного топливного элемента.
Этот новый топливный элемент полностью изготовлен из керамики, что исключает использование тяжёлых металлических компонентов. (Изображение)
Фертниг/GettyImages
Исследователи разработали легкие и мощные топливные элементы с использованием 3D-печати и структуры, вдохновленной кораллами.
Разработанная Техническим университетом Дании новая конструкция называется Монолитный гироидальный твердооксидный элемент (или Монолит).
Интересно, что топливный элемент «полностью керамический», что исключает тяжелые металлические компоненты, составляющие более 75% веса обычного топливного элемента.
Топливные элементы — универсальная технология, используемая в различных отраслях промышленности, например, в автомобилях на водороде.
Данная технология также используется в качестве источника питания для больниц, центров обработки данных и кораблей.
Способность генерировать электроэнергию и хранить энергию посредством электролиза делает их чрезвычайно ценными для стабилизации систем возобновляемой энергии.
Разработано всего за пять шагов
Математически оптимизированная конструкция использует трижды периодическую минимальную поверхность (TPMS), а именно гироид.
Он спроектирован таким образом, чтобы иметь максимально возможную площадь поверхности при максимальном весе. Такая архитектура обеспечивает свободный поток газов, улучшая распределение тепла и повышая механическую стабильность.
Интересно, что топливный элемент Monolith обладает исключительной мощностью относительно своего веса, вырабатывая более одного ватта на грамм.
«В настоящее время использование технологий преобразования энергии на основе электричества, таких как аккумуляторы и топливные элементы, не имеет смысла для аэрокосмических приложений», — сказал Венката Картик Надимпалли, старший научный сотрудник и автор-корреспондент.
«Но наша новая конструкция топливного элемента меняет ситуацию. Она впервые демонстрирует соотношение ватт/грамм (или удельную мощность), необходимое для аэрокосмической отрасли, при использовании устойчивой, экологичной технологии», — пояснил автор.
Помимо того, что новые топливные элементы DTU легче обычных, они обладают рядом преимуществ, которые могут сделать их «революционным изобретением».
Топливный элемент продемонстрировал впечатляющую долговечность, выдерживая экстремальные условия, включая перепады температур в 100°C.
Кроме того, команда неоднократно переключала топливный элемент между режимами выработки энергии и ее хранения и не обнаружила никаких структурных разрушений.
Кроме того, при использовании в режиме электролиза топливные элементы способны производить «водород со скоростью почти в десять раз» быстрее, чем стандартные модели.
Кроме того, новая конструкция монолитного керамического топливного элемента особенно привлекательна из-за упрощенного процесса его изготовления.
Для сравнения, традиционные батареи твердооксидных элементов требуют десятков этапов и используют множество материалов, которые со временем разрушаются.
В отличие от этого, новая конструкция создается всего за «пять шагов». Этот процесс исключает использование тяжелых металлических компонентов и хрупких уплотнений, что делает систему более долговечной.
Применение в космических полетах и аэрокосмической отрасли
Разработка может принести пользу аэрокосмической отрасли.
Для эксплуатации стандартного коммерческого самолета требуется 70 тонн авиатоплива.
Если заменить это топливо эквивалентной энергией литий-ионных аккумуляторов, вес аккумуляторов составит 3500 тонн, что сделает самолет слишком тяжелым для полета.
Аналогичным образом, традиционные топливные элементы слишком тяжелы для применения в аэрокосмической отрасли, поскольку их конструкция представляет собой плоские, тяжелые батареи с металлическими деталями, на долю которых приходится более 75% общего веса системы.
До сих пор этот вес ограничивал использование топливных элементов в мобильных приложениях, таких как авиация.
Однако новый топливный элемент решает эту проблему благодаря своей легкой конструкции.
Более того, высокая устойчивость новых топливных элементов делает их идеальными для сложных космических миссий, таких как эксперимент NASA's Mars Oxygen ISRU (MOXIE).
В проекте MOXIE по производству кислорода из марсианской атмосферы использовалось оборудование весом более шести тонн.
Новая, более легкая конструкция топливных элементов могла бы выполнять ту же задачу при весе всего 800 кг, что значительно снизило бы стоимость запуска в космос.
Исследователи полагают, что конструкцию можно усовершенствовать.
«Тем не менее, я считаю, что мы можем усовершенствовать систему и дальше, используя более тонкие электролиты, более дешевые токосъемники, например, серебро или никель вместо платины, и даже более компактные конструкции», — заявил Надимпалли.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.
Sourse: interestingengineering.com
