科技日報北京9月22日電 （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(jié)構(gòu)設計，研制出一種全新的輕質(zhì)燃料電池，首次達到航空航天應用所需的比功率指標，或?qū)楹娇蘸教炀G色能源應用開辟新路徑。相關成果發(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(jié)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制成、通過3D打印制造的新型燃料電池。他們重新設計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)高強度結(jié)構(gòu)中常見的陀螺體幾何，并通過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)堅固、輕巧，并且表面積極大，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(yōu)勢外，新設計在運行性能上同樣表現(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，還顯著增強了機械穩(wěn)定性。在電解模式下，該電池的產(chǎn)氫速率是傳統(tǒng)設計的近10倍。團隊還在極端條件下進行驗證，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，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷。
研究團隊指出，這種韌性對于太空探索尤為關鍵。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(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(chǎn)，且無需金屬部件與密封材料。