Ein Forscherteam der DTU hat möglicherweise eine der härtesten Nüsse im Bereich der nachhaltigen Energie geknackt: Wie lassen sich Brennstoffzellen leicht und leistungsstark genug für die Luft- und Raumfahrt machen?
In einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen DTU Energy und DTU Construct entwickelten sie mithilfe von 3D-Druck und Gyroid-Geometrie ein radikal neues Design der sogenannten Festoxidzellen (SOCs). Diese komplexe Struktur ist mathematisch optimiert, um die Oberfläche in einem gegebenen Volumen zu verbessern, und wird sowohl von Ingenieuren für Wärmetauscher als auch in der Natur in Strukturen wie Schmetterlingsflügeln eingesetzt. Die Gyroid-Architektur ist strukturell robust, hat eine große Oberfläche und ist leicht. DTU-Wissenschaftler haben erstmals gezeigt, wie sich der Gyroid zur Herstellung elektrochemischer Umwandlungsgeräte wie SOCs nutzen lässt.
Um ein Verkehrsflugzeug heute anzutreiben, benötigt man Kerosin. Würde man einen herkömmlichen Jet umrüsten und die 70 Tonnen Treibstoff durch Lithium-Ionen-Batterien ähnlicher Kapazität ersetzen, läge sein Gewicht bei 3.500 Tonnen. Er würde also nicht abheben.
Dasselbe gilt für Brennstoffzellen, die meist auf flache, schwere Stapel beschränkt sind und für Abdichtung und Verbindung auf Metallteile angewiesen sind. Auch diese sind also schwer. Metallkomponenten machen mehr als 75 % des Gewichts eines Brennstoffzellensystems aus, was ihre Mobilität und damit ihren Nutzen beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt stark einschränkt.
Nachhaltiges Fliegen?
In einem neuen Artikel in Nature Energy haben DTU-Wissenschaftler möglicherweise den Spieß umgedreht. Professor Vincenzo Esposito von DTU Energy, Senior Researcher Venkata Karthik Nadimpalli von DTU Construct und mehrere Kollegen aus beiden Abteilungen haben eine neue Brennstoffzelle entworfen, die vollständig aus Keramik besteht und im 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Die gedruckte Struktur wird als dreifach periodische Minimalfläche (TPMS) bezeichnet und ist mathematisch auf maximale Oberfläche und minimales Gewicht optimiert.
Ihre Brennstoffzelle – sie nennen sie Monolithic Gyroidal Solid Oxide Cell oder kurz The Monolith – liefert mehr als ein Watt pro Gramm. Dies ist nicht nur eine Premiere, sondern erweitert auch das Feld möglicher Brennstoffzellenanwendungen erheblich, erklärt Venkata Karthik Nadimpalli, leitender Forscher bei DTU Construct und korrespondierender Autor der Studie:
„Derzeit ist die Nutzung strombasierter Energieumwandlungsmethoden wie Batterien und Brennstoffzellen für die Luft- und Raumfahrt nicht sinnvoll. Unser neues Brennstoffzellendesign ändert das jedoch. Es ist das erste, das das für die Luft- und Raumfahrt erforderliche Watt-Gramm-Verhältnis – oder die spezifische Leistung – demonstriert und dabei eine nachhaltige, umweltfreundliche Technologie verwendet“, sagt er.
Extreme Belastbarkeit
Brennstoffzellen sind nichts Neues, und ihre Bedeutung ist in mehreren Sektoren spürbar. Am deutlichsten sichtbar sind sie vielleicht in Wasserstoffautos, aber sie werden beispielsweise auch zur Stromversorgung von Krankenhäusern und Rechenzentren, in Schiffen und als Speicher zur Stabilisierung erneuerbarer Energiesysteme eingesetzt. Ihre Fähigkeit, zwischen Stromerzeugung und -speicherung (Elektrolyse) umzuschalten, macht sie für zahlreiche Anwendungen äußerst vielseitig.
Es gibt viele weitere Gründe, warum die neuen Brennstoffzellen des DTU-Forscherteams bahnbrechend sein könnten. Neben der deutlichen Gewichtsreduzierung ermöglicht das System einen effizienten Gasfluss durch die Zelle, verbessert die Wärmeverteilung und erhöht die mechanische Stabilität. Im Elektrolysemodus produzierten sie Wasserstoff fast zehnmal schneller als herkömmliche Konstruktionen.
„Wir haben das System auch unter extremen Bedingungen getestet, darunter Temperaturschwankungen von 100 °C, und wiederholt zwischen Brennstoffzellen- und Elektrolysemodus umgeschaltet. Die Brennstoffzellen hielten beeindruckend stand und zeigten keine Anzeichen von Strukturversagen oder Schichtablösung“, sagt Vincenzo Esposito, korrespondierender Autor und Professor an der DTU Energy.
Die Forscher erklären, dass diese Art von Widerstandsfähigkeit für Weltraummissionen wie das Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) der NASA von entscheidender Bedeutung ist, dessen Ziel darin besteht, Sauerstoff aus der kohlendioxidreichen Atmosphäre des Mars zu gewinnen.
Für diese Mission werden derzeit sperrige Stapel mit einem Gewicht von über sechs Tonnen benötigt. Das neue Design könnte mit 800 kg eine ähnliche Leistung liefern, was die Kosten für den Start der Ausrüstung erheblich senken würde.
Was dieses Design besonders überzeugend macht, ist nicht nur seine Leistung, sondern auch seine Herstellungsweise, erklärt Venkata Karthik Nadimpalli:
„Während herkömmliche SOC-Stacks Dutzende von Fertigungsschritten erfordern und auf mehreren Materialien basieren, die mit der Zeit verschleißen, wird unser monolithisches Keramikdesign in nur fünf Schritten hergestellt, wobei wir auf Metall verzichten und zerbrechliche Dichtungen vermeiden“, sagt er.
„Ich bin jedoch überzeugt, dass wir das System durch den Einsatz dünnerer Elektrolyte, billigerer Stromkollektoren wie Silber oder Nickel anstelle von Platin und noch kompakterer Designs noch weiter verbessern können.“
