丹麦技术大学（DTU）的研究人员开发出了采用3D打印陀螺结构、由8YSZ材料制成的整体式固体氧化物燃料电池，其功率重量比达到约1 W g⁻¹。研究团队指出，传统的平面型SOFC架构通常只能提供约0.2 W g⁻¹的功率重量比，这意味着新设计在该指标上提升了约五倍。该项目由DTU能源系的Vincenzo Esposito教授领导，使用了从奥地利陶瓷3D打印机制造商Lithoz新购置的Lithoz CeraFab设备，旨在为氢动力交通工具生产更轻的燃料电池架构。
这些电池采用8 mol%氧化钇稳定氧化锆（8YSZ）打印而成，这是SOFC中最广泛使用的电解质材料之一。研究人员没有采用堆叠平板电池的设计，而是设计了一种具有薄内壁、按陀螺几何形状排列的整体式陶瓷结构。据大学方面介绍，移除传统的互连件和密封材料减轻了重量，减少了热失配和机械应力，并提高了可用体积的利用率。这种紧凑的构型旨在为水上、陆地和空中的交通应用提供更轻的燃料电池系统。
3D打印单片氧化锆陀螺燃料电池架构。照片来源于Lithoz
DTU机械工程系（DTU Construct）的研究人员也为该项目做出了贡献。Venkata Karthik Nadimpalli副教授在结构陶瓷材料的力学行为和结构优化方面提供了专业知识。这项合作帮助评估了薄壁陀螺结构在热和运行条件下的结构稳定性。为了制造出可工作的装置，团队将重复的陀螺单元与一个保持气密条件的密封外壳框架相结合。
Esposito教授将这一成果描述为对既定SOFC设计的突破。他表示：“这项创新实现了从平面堆叠到整体架构的真正范式转变。”他补充说，由于材料和微观结构排列所需的复杂性，这一概念长期以来一直无法实现。“我们的座右铭‘逃离平地’听起来像是顺理成章的一步，但长期以来这根本无法实现，”Vincenzo Esposito说，“材料和微观结构的特殊排列需要极高的复杂程度——直到最近，我们才终于获得了能让这一概念变为现实的工具。”他表示，Lithoz的LCM技术提供了制造具有极薄内壁的仿生TPMS几何结构以及气密运行所需密封外壳所需的可重复性。
Lithoz CeraFab Multi 2M30陶瓷3D打印机。照片来源于Lithoz
Lithoz的首席执行官Johannes Homa表示，该项目减少了对堆叠平板燃料电池中使用的互连和密封架构的依赖。“通过在Lithoz CeraFab打印机上实现具有复杂陀螺几何结构的8YSZ整体式燃料电池，DTU成功减少了对传统堆叠平板结构固有的互连和密封架构的依赖，”他说。随着设计和测试阶段现已完成，DTU能源团队计划将该项目扩展到工业规模。据大学方面称，这种更轻的陶瓷架构为重新构想长续航和超紧凑型氢发动机设计开辟了道路。
陶瓷增材制造推动固体氧化物电池设计超越平面架构
更早的研究已经表明，陶瓷3D打印可以通过改变几何形状（而非仅靠化学改进）来提高固体氧化物电池的性能。2020年，加泰罗尼亚能源研究所和加泰罗尼亚研究与高级研究所的研究人员使用SLA陶瓷3D打印技术制造了平面和波纹形状的电解质支撑型固体氧化物燃料电池和电解池。使用8YSZ材料的团队报告称，波纹设计将有效表面积从2.00 cm²增加到3.15 cm²，提升了57%，并且性能比传统电池提高了60%。这一结果很重要，因为它证明了陶瓷增材制造可以生产出气密、无裂纹且具有增强面积结构的YSZ电解质，表明电池形状本身就可以用来提高性能。
用于制造燃料电池的完整SLA 3D打印过程，包括在此过程中从打印机内部拍摄的照片。图片来源于《材料化学杂志A》
最近的研究已将这一逻辑进一步推进到具有更高运行要求的制氢系统中。由“地平线欧洲”计划资助的HyP3D项目一直在开发3D打印高压固体氧化物电解池，旨在将电能转化为压缩氢气。据报道，这些电池具有70 cm²的有效面积，在850°C、压力高于5 bar的条件下，以约1.3 V的电压运行，电流密度超过0.90 A/cm²，同时在单位体积和质量的比功率方面预计有所提升。该项目也凸显了制造方面的挑战，3DCeram公司致力于开发可打印的YSZ基浆料、工艺参数、热处理以及复杂陶瓷部件的生产工作流程。在此背景下，DTU的成果不仅代表了又一个打印固体氧化物电池，更是从平面陶瓷架构向围绕几何复杂性构建的轻质整体式设计迈出的又一步。
中国3D打印网编译文章！
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