Датские учёные представили новый тип топливного элемента — «Монолит» (Monolithic Gyroidal Solid Oxide Cell), созданный при помощи 3D-печати и вдохновлённый структурой кораллов. В отличие от традиционных топливных элементов, «Монолит» полностью керамический, что позволило убрать тяжёлые металлические компоненты, составляющие более 75% веса обычных аналогов.

Это открывает перспективы использования топливных элементов в областях, где вес является критическим фактором, например, в аэрокосмической промышленности. Топливные элементы применяются в различных отраслях, включая водородные автомобили, питание оборудования больниц, дата-центров, а также для стабилизации систем возобновляемой энергетики благодаря способности генерировать энергию и накапливать её путём электролиза.

«Монолит» основан на математически оптимизированной конструкции, использующей трёхпериодическую минимальную поверхность (TPMS), в частности, гироидную поверхность. Эта структура обеспечивает максимальную площадь поверхности при минимальном весе, что способствует свободному потоку газов, улучшает распределение тепла и повышает механическую стабильность. Примечательно, что «Монолит» демонстрирует мощность более одного ватта на грамм (1 Вт/г).

Ведущий автор работы, Венката Картик Надимпаллли, отмечает: «В настоящее время использование электроэнергетических преобразователей, таких как батареи и топливные элементы, нецелесообразно для аэрокосмических применений. Но наша новая конструкция топливного элемента меняет ситуацию. Это первый топливный элемент, демонстрирующий соотношение ватт на грамм, необходимое для аэрокосмической отрасли, при использовании устойчивой, экологически чистой технологии».

Новый топливный элемент отличается не только лёгкостью, но и высокой прочностью. Он выдерживает перепады температур до 100 °C и многократное переключение между режимами генерации и накопления энергии без структурных повреждений. В режиме электролиза «Монолит» производит водород почти в 10 раз быстрее, чем стандартные модели.

Процесс производства «Монолита» также значительно упрощен: всего пять этапов против десятков в случае традиционных топливных элементов, которые, к тому же, используют несколько материалов, со временем деградирующих. Упрощение процесса исключает тяжёлые металлические компоненты и хрупкие уплотнения, повышая надёжность системы.

Разработка имеет большое значение для аэрокосмической отрасли. Например, для полёта стандартного коммерческого самолёта требуется 70 тонн авиационного топлива. Замена его на литий-ионные батареи потребовала бы 3500 тонн батарей, что сделало бы самолёт слишком тяжёлым. Традиционные топливные элементы также слишком тяжелы для аэрокосмических применений из-за своей конструкции, основанной на плоских, тяжёлых блоках с металлическими деталями, составляющими более 75% от общего веса системы. «Монолит», благодаря своей лёгкости, решает эту проблему. Высокая износостойкость делает его идеальным для сложных космических миссий, таких как эксперимент NASA MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment) по производству кислорода из марсианской атмосферы, оборудование которого весило более шести тонн. «Монолит» мог бы выполнить ту же задачу весом всего 800 кг, что значительно снизило бы стоимость космического запуска.

Авторы работы считают, что «Монолит» можно ещё улучшить, используя более тонкие электролиты, более дешёвые токосъёмники (например, серебро или никель вместо платины) и ещё более компактные конструкции.