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3D打印輕質(zhì)燃料電池問世,首次達(dá)到航空航天應(yīng)用所需的比功率指標(biāo)
2025-09-23 13:48:23
來源:科技日?qǐng)?bào)  作者: 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(jiān)固、輕巧,并且表面積極大,每克的輸出功率超過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),且無需金屬部件與密封材料。

編輯:韓夢(mèng)晨
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