3D打印轻质燃料电池问世

科技日报记者 张佳欣

丹麦技术大学研究团队在燃料电池领域取得突破：他们首次利用3D打印技术和特殊几何结构设计，研制出一种全新的轻质燃料电池，首次达到航空航天应用所需的比功率指标，或将为航空航天绿色能源应用开辟新路径。相关成果发表于新一期《自然·能源》杂志。

燃料电池由金属部件密封和连接，金属部件占系统总重量的75%以上，极大限制了其机动性，也制约了其在航空航天等领域的应用。如果将一架普通喷气客机的70吨燃料替换成相同容量的锂电池，其重量将高达3500吨，结果就是飞机根本无法起飞。

此次，研究团队设计出了一种完全由陶瓷制成、通过3D打印制造的新型燃料电池。他们重新设计了固体氧化物电池的结构，采用了“三重周期极小曲面”结构，即自然界蝴蝶翅膀等轻质高强度结构中常见的陀螺体几何，并通过3D打印将其制成全陶瓷燃料电池。

这一“单体陀螺体固体氧化物电池”结构坚固、轻巧，并且表面积极大，每克的输出功率超过1瓦，首次达到航空航天应用所需的比功率指标。

除重量优势外，新设计在运行性能上同样表现突出。其多孔结构不仅有助于气体高效流通和热量均匀分布，还显著增强了机械稳定性。在电解模式下，该电池的产氢速率是传统设计的近10倍。团队还在极端条件下进行验证，包括经历100℃的温度骤变，并多次在发电与电解模式间切换，电池均保持稳定，没有出现结构损伤。

研究团队指出，这种韧性对于太空探索尤为关键。以美国国家航空航天局的火星氧气原位资源利用实验为例，目前其依赖超过6吨的庞大堆叠装置。而新设计有望在不足1吨的重量下实现类似性能，显著降低发射成本。此外，该燃料电池的制造过程也较为简化，新型单体陶瓷设计仅需5个步骤即可完成生产，且无需金属部件与密封材料。