科技日?qǐng)?bào)北京9月22日電 （記者張佳欣）丹麥技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在燃料電池領(lǐng)域取得突破：他們首次利用3D打印技術(shù)和特殊幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出一種全新的輕質(zhì)燃料電池，首次達(dá)到航空航天應(yīng)用所需的比功率指標(biāo)，或?qū)楹娇蘸教炀G色能源應(yīng)用開(kāi)辟新路徑。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《自然·能源》雜志。
燃料電池由金屬部件密封和連接，金屬部件占系統(tǒng)總重量的75%以上，極大限制了其機(jī)動(dòng)性，也制約了其在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。如果將一架普通噴氣客機(jī)的70噸燃料替換成相同容量的鋰電池，其重量將高達(dá)3500噸，結(jié)果就是飛機(jī)根本無(wú)法起飛。
此次，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種完全由陶瓷制成、通過(guò)3D打印制造的新型燃料電池。他們重新設(shè)計(jì)了固體氧化物電池的結(jié)構(gòu)，采用了“三重周期極小曲面”結(jié)構(gòu)，即自然界蝴蝶翅膀等輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的陀螺體幾何，并通過(guò)3D打印將其制成全陶瓷燃料電池。
這一“單體陀螺體固體氧化物電池”結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、輕巧，并且表面積極大，每克的輸出功率超過(guò)1瓦，首次達(dá)到航空航天應(yīng)用所需的比功率指標(biāo)。
除重量?jī)?yōu)勢(shì)外，新設(shè)計(jì)在運(yùn)行性能上同樣表現(xiàn)突出。其多孔結(jié)構(gòu)不僅有助于氣體高效流通和熱量均勻分布，還顯著增強(qiáng)了機(jī)械穩(wěn)定性。在電解模式下，該電池的產(chǎn)氫速率是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的近10倍。團(tuán)隊(duì)還在極端條件下進(jìn)行驗(yàn)證，包括經(jīng)歷100℃的溫度驟變，并多次在發(fā)電與電解模式間切換，電池均保持穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。
研究團(tuán)隊(duì)指出，這種韌性對(duì)于太空探索尤為關(guān)鍵。以美國(guó)國(guó)家航空航天局的火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)為例，目前其依賴超過(guò)6噸的龐大堆疊裝置。而新設(shè)計(jì)有望在不足1噸的重量下實(shí)現(xiàn)類似性能，顯著降低發(fā)射成本。此外，該燃料電池的制造過(guò)程也較為簡(jiǎn)化，新型單體陶瓷設(shè)計(jì)僅需5個(gè)步驟即可完成生產(chǎn)，且無(wú)需金屬部件與密封材料。