Tế bào nhiên liệu gốm in 3D nhẹ cho ngành hàng không

Tế bào nhiên liệu gốm in 3D nhẹ mở ra nguồn năng lượng thay thế cho hàng không

Một nhóm nghiên cứu tại Technical University of Denmark (DTU) vừa công bố mẫu tế bào nhiên liệu rắn oxit (Solid Oxide Cell) được in 3D hoàn toàn bằng gốm, thiết kế nhẹ và hiệu năng cao — có thể là bước tiến lớn cho ứng dụng trong hàng không và thậm chí không gian.

Thiết kế “Monolith” và những cải tiến chính

• Mẫu mới được gọi là Monolithic Gyroidal Solid Oxide Cell, biệt danh “The Monolith”.

• Sử dụng cấu trúc gyroidal — loại thiết kế hình học tối ưu bề mặt so với thể tích, giúp tăng hiệu quả trao đổi chất khí và phân bố nhiệt.

• Khác biệt với thiết kế truyền thống, sản phẩm này loại bỏ phần lớn các thành phần kim loại như khung kim loại, các miếng đệm kín và các kết nối điện nặng — phần lớn trọng lượng trước đây của loại tế bào nhiên liệu rắn do kim loại chiếm.

Hiệu suất, độ bền và các thử nghiệm

• Monolith đạt trên 1 watt mỗi gram trọng lượng, một tỷ lệ công suất-trọng lượng quan trọng cho ngành hàng không.

• Thiết bị vẫn giữ được tính ổn định khi chịu dao động nhiệt khoảng 100 °C giữa các chu kỳ làm việc và chế độ điện phân (electrolysis) và chế độ phát điện (fuel cell).

• Khi hoạt động ở chế độ điện phân, khả năng sản xuất hydrogen tăng gần gấp mười lần so với tế bào nhiên liệu truyền thống.

• Thiết bị không bị bong lớp (delamination), không có lỗi kết cấu mặc dù có sự thay đổi liên tục giữa các chế độ hoạt động.

Ý nghĩa ứng dụng trong hàng không và khám phá không gian

• Một hệ thống hiện nay dùng cho nhiệm vụ tạo oxy từ khí CO₂ trên sao Hỏa (ví dụ như thử nghiệm MOXIE) có trọng lượng hơn 6 tấn. Dựa trên thiết kế Monolith, hệ tương đương có thể giảm xuống còn khoảng 800 kg, giúp giảm chi phí phóng và tăng khả năng ứng dụng.

• Với tỷ lệ >1 W/g và độ bền khi biến đổi nhiệt độ lớn, tế bào nhiên liệu này có thể lắp trên máy bay hoặc tàu thăm dò nơi mỗi kilogram đều quan trọng.

• Việc không dùng kim loại nhiều tức là giảm vấn đề gỉ sét, mỏi vật liệu, và có thể giảm chi phí sản xuất nếu các bộ phận dẫn điện (current collectors) thay thế được bằng vật liệu rẻ hơn như bạc hoặc niken thay cho các kim loại quý hiếm.

Thách thức và hướng cải tiến trong tương lai

• Dù nhẹ và hiệu suất cao, tế bào Monolith vẫn cần tối ưu thêm các lớp điện phân mỏng hơn để giảm điện trở và tăng hiệu suất.

• Nghiên cứu cần tìm cách thay các bộ phận đắt tiền (collector, điện cực, màng cách điện) bằng vật liệu rẻ hơn mà vẫn giữ được độ bền và hiệu suất.

• Khả năng mở rộng sản xuất với chi phí hợp lý và đảm bảo chất lượng trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt, áp suất, dao động môi trường) vẫn là bài toán.