3D打印輕質燃料電池問世

科技日報記者 張佳欣

丹麥技術大學研究團隊在燃料電池領域取得突破：他們首次利用3D打印技術和特殊幾何結構設計，研製出一種全新的輕質燃料電池，首次達到航空航天應用所需的比功率指標，或將為航空航天綠色能源應用開闢新路徑。相關成果發表於新一期《自然·能源》雜誌。

燃料電池由金屬部件密封和連接，金屬部件佔系統總重量的75%以上，極大限制了其機動性，也制約了其在航空航天等領域的應用。如果將一架普通噴氣客機的70噸燃料替換成相同容量的鋰電池，其重量將高達3500噸，結果就是飛機根本無法起飛。

此次，研究團隊設計出了一種完全由陶瓷製成、通過3D打印製造的新型燃料電池。他們重新設計了固體氧化物電池的結構，採用了“三重週期極小曲面”結構，即自然界蝴蝶翅膀等輕質高強度結構中常見的陀螺體幾何，並通過3D打印將其製成全陶瓷燃料電池。

這一“單體陀螺體固體氧化物電池”結構堅固、輕巧，並且表面積極大，每克的輸出功率超過1瓦，首次達到航空航天應用所需的比功率指標。

除重量優勢外，新設計在運行性能上同樣表現突出。其多孔結構不僅有助於氣體高效流通和熱量均勻分佈，還顯著增強了機械穩定性。在電解模式下，該電池的產氫速率是傳統設計的近10倍。團隊還在極端條件下進行驗證，包括經歷100℃的温度驟變，並多次在發電與電解模式間切換，電池均保持穩定，沒有出現結構損傷。

研究團隊指出，這種韌性對於太空探索尤為關鍵。以美國國家航空航天局的火星氧氣原位資源利用實驗為例，目前其依賴超過6噸的龐大堆疊裝置。而新設計有望在不足1噸的重量下實現類似性能，顯著降低發射成本。此外，該燃料電池的製造過程也較為簡化，新型單體陶瓷設計僅需5個步驟即可完成生產，且無需金屬部件與密封材料。