Forscher der Technischen Universität Dänemark haben mithilfe von 3D-Druck und koralleninspirierten Strukturen eine leichte und dennoch leistungsstarke Brennstoffzelle entwickelt. Dieses neue Design, das von der Technischen Universität Dänemark entwickelt wurde, wird als monolithische Spiral-Festoxidzelle (monolithisch) bezeichnet.

Diese Brennstoffzelle besteht vollständig aus Keramik und verzichtet auf Schwermetalle, die über 75 % des Gewichts herkömmlicher Brennstoffzellen ausmachen. Brennstoffzellen haben ein breites Anwendungsspektrum, darunter wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sowie die Stromversorgung von Krankenhäusern, Rechenzentren und Schiffen. Ihre Fähigkeit, durch Elektrolyse Strom zu erzeugen und Energie zu speichern, ist für die Stabilisierung erneuerbarer Energiesysteme äußerst wertvoll.

Das mathematisch optimierte Design nutzt Helikoide in einer dreifach periodischen Minimaloberfläche (TPMS) und zielt darauf ab, die Oberfläche bei möglichst geringem Gewicht zu maximieren. Diese Struktur ermöglicht einen freien Gasfluss, verbessert die Wärmeverteilung und erhöht die mechanische Stabilität. Die Monolith-Brennstoffzelle ist leistungsstark und erzeugt über ein Watt Leistung pro Gramm.

Der leitende Forscher und korrespondierende Autor Venkata Karthik Nadimpalli sagte, dass die derzeitige auf Elektrizität basierende Energieumwandlung, wie etwa Batterien und Brennstoffzellen, für Luft- und Raumfahrtanwendungen wenig Bedeutung habe. Das neue Brennstoffzellendesign ändere diese Situation jedoch, indem es zum ersten Mal das für die Luft- und Raumfahrt erforderliche Watt-zu-Gramm-Verhältnis nachweise und gleichzeitig nachhaltige grüne Technologie verwende.

Neben ihrem geringen Gewicht bietet die neue DTU-Brennstoffzelle mehrere Vorteile. Sie hält extremen Bedingungen stand, darunter Temperaturschwankungen von 100 °C, und beweist damit ihre außergewöhnliche Haltbarkeit. Das Forschungsteam schaltete die Brennstoffzelle wiederholt zwischen Stromerzeugungs- und Energiespeichermodus um, ohne strukturelle Schäden zu beobachten. Im Elektrolysemodus produziert sie Wasserstoff fast zehnmal schneller als ein Standardmodell.

Das neue Design der monolithischen Keramikbrennstoffzelle zeichnet sich durch einen vereinfachten Herstellungsprozess aus. Während herkömmliche Festoxidbrennstoffzellenstapel Dutzende von Schritten erfordern und verschiedene Materialien verwenden, die sich mit der Zeit zersetzen, benötigt das neue Design nur fünf Schritte. Dadurch entfallen schwere Metallteile und empfindliche Dichtungen, was das System langlebiger macht.

Diese Entwicklung kommt der Luft- und Raumfahrtindustrie zugute. Ein durchschnittliches Verkehrsflugzeug benötigt 70 Tonnen Flugbenzin. Würde man die entsprechende Energie durch Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, wiegen diese 3.500 Tonnen und würden das Flugzeug betriebsunfähig machen. Herkömmliche Brennstoffzellen, die auf flachen, schweren Stapeln mit einem hohen Metallanteil basieren, sind für die Luft- und Raumfahrt zu schwer, was ihren Einsatz in mobilen Anwendungen wie der Luftfahrt einschränkt. Die neue Brennstoffzelle überwindet diese Herausforderung durch ihr Leichtbaudesign.

Darüber hinaus ist die neue Brennstoffzelle aufgrund ihrer hohen Flexibilität die ideale Wahl für anspruchsvolle Weltraummissionen wie das Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) der NASA. Während die Ausrüstung von MOXIE über sechs Tonnen wiegt, kann die neue, leichtere Brennstoffzelle dieselbe Mission mit nur 800 Kilogramm bewältigen, was die Kosten für Weltraumstarts deutlich senkt.

Die Forscher glauben, dass das Design noch weiter verbessert werden kann. Nadimpalli sagte, das System könne durch dünnere Elektrolyte, günstigere Stromkollektoren (wie Silber oder Nickel anstelle von Platin) und kompaktere Designs optimiert werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.