سلول سوختی تمام‌سرامیکی و سبک که جایگزین سوخت‌های معمول در هواپیما می‌شود

به گزارش مجله خبری نگار/برنا - پژوهشگران دانشگاه فنی دانمارک (DTU) موفق به طراحی نسل جدیدی از سلول‌های سوختی شده‌اند که به‌وسیله چاپ سه‌بعدی و الهام از ساختار مرجانی ساخته شده است. این سلول که سلول اکسید جامد ژیروئیدی یکپارچه یا مونولیت نام گرفته به‌طور کامل از جنس سرامیک ساخته شده و اجزای فلزی سنگینی را که بیش از ۷۵ درصد وزن سلول‌های سوختی متداول را تشکیل می‌دهد، حذف کرده است.

به گزارش interesting engineering، سلول‌های سوختی به‌عنوان فناوری چندمنظوره در حوزه‌های مختلف از جمله خودرو‌های هیدروژنی، تأمین برق مراکز حیاتی مانند بیمارستان‌ها و مراکز داده و همچنین صنایع دریایی به کار می‌روند. توانایی تولید برق و ذخیره انرژی از طریق الکترولیز جایگاه این فناوری را در تثبیت سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر بیش از پیش برجسته می‌کند.

طراحی بهینه ریاضی با ساختاری سبک و مقاوم

این سلول جدید با بهره‌گیری از یک سطح کمینه سه‌دوره‌ای (TPMS) به‌ویژه ساختار ژیروئید طراحی شده است؛ ساختاری که بیشترین سطح تماس را در کمترین وزن ممکن ایجاد می‌کند. این معماری جریان آزاد گاز‌ها را تسهیل کرده، توزیع حرارتی را بهبود می‌بخشد و استحکام مکانیکی سلول را افزایش می‌دهد. به همین دلیل مونولیت توان بالایی نسبت به وزن خود دارد و بیش از یک وات به ازای هر گرم تولید می‌کند.

ونکاتا کارتیک نادیماپالی، پژوهشگر ارشد و نویسنده مسئول این مطالعه گفت: تا کنون استفاده از فناوری‌های مبتنی بر برق مانند باتری‌ها و سلول‌های سوختی در صنعت هوافضا از نظر وزن و توان به‌صرفه نبود. اما طراحی جدید ما برای نخستین‌بار نشان می‌دهد که نسبت وات به گرم لازم برای کاربرد‌های هوافضایی می‌تواند با یک فناوری سبز و پایدار تحقق یابد.

دوام بالا و کارکرد دوگانه

سلول سوختی جدید علاوه بر سبک بودن، مزایای دیگری نیز دارد که آن را به یک بازی‌ساز واقعی بدل می‌کند. این سلول در آزمایش‌ها توانست شرایط سخت از جمله نوسانات دمایی تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد را بدون آسیب ساختاری تحمل کند. همچنین در حالت الکترولیز، هیدروژن را با سرعتی نزدیک به ۱۰ برابر بیشتر از مدل‌های متداول تولید کرد.

یکی دیگر از ویژگی‌های برجسته این طراحی فرایند ساخت ساده آن است. در حالی که تولید سلول‌های اکسید جامد معمولی به ده‌ها مرحله و استفاده از مواد مختلفی که در طول زمان دچار فرسایش می‌شوند نیاز دارد، مونولیت تنها در پنج مرحله ساخته می‌شود و فاقد اجزای فلزی سنگین و اتصالات شکننده است.

گامی برای هواپیما‌ها و مأموریت‌های فضایی

وزن سنگین همواره مانعی جدی برای استفاده از سلول‌های سوختی در هوانوردی بوده است. به‌عنوان مثال یک هواپیمای مسافربری برای پرواز به حدود ۷۰ تن سوخت جت نیاز دارد، در حالی که جایگزینی آن با باتری‌های لیتیوم-یونی نیازمند ۳۵۰۰ تن باتری خواهد بود که امکان پرواز را غیرممکن می‌کند. سلول‌های سوختی سنتی نیز به دلیل طراحی متکی بر پشته‌های فلزی سنگین مناسب نبودند.

سلول سوختی جدید DTU با طراحی سبک و توان بالا این محدودیت را رفع کرده است. افزون بر این مقاومت بالای آن در برابر شرایط دشوار استفاده در مأموریت‌های فضایی مانند پروژه MOXIE ناسا را امکان‌پذیر می‌کند. این پروژه پیش‌تر برای تولید اکسیژن از جو مریخ به تجهیزاتی با وزن بیش از شش تن نیاز داشت در حالی که سلول جدید می‌تواند همان عملکرد را تنها با ۸۰۰ کیلوگرم وزن انجام دهد و هزینه پرتاب را به شکل چشمگیری کاهش دهد.

پژوهشگران معتقدند امکان بهبود بیشتر این طراحی وجود دارد. نادیماپالی در این‌باره توضیح داد: با استفاده از الکترولیت‌های نازک‌تر، جمع‌کننده‌های جریان ارزان‌تر مانند نقره یا نیکل به‌جای پلاتین و طراحی‌های فشرده‌تر می‌توان عملکرد سیستم را ارتقا داد.

یافته‌های این تحقیق در نشریه معتبر Nature Energy منتشر شده است.