丹麦科技大学（DTU）研发出新型3D打印陶瓷固体氧化物燃料电池（SOC），采用单体连续的“Monolith”结构和独特的螺旋型几何设计，实现高功率密度与轻量化。相比传统SOC，其无需金属支撑和复杂密封件，重量大幅下降，功率超过1瓦/克，同时可在燃料电池和电解模式间循环，稳定性强。该技术不仅适用于航空航天、氢能汽车和船舶，也可用于可再生能源储能和太空探索，显著提升燃料电池效率与可靠性，为能源转换提供创新解决方案。
丹麦技术大学（DTU）的研究人员开发出一种新型固体氧化物电池（SOC），兼具轻量化与高功率输出。
该研究发表在《Nature Energy》上，其设计解决了长期以来阻碍燃料电池在航空航天和空间探索中实际应用的障碍。据TechXplore报道，该项目由DTU能源系的Vincenzo Esposito教授和DTU结构系的高级研究员Venkata Karthik Nadimpalli领导，两部门的同事共同参与。他们通过螺旋几何（gyroid geometry）重新构想了SOC，这是一种三重周期最小曲面（TPMS）结构。
这种几何在数学上经过优化，可在特定体积内最大化表面积，同时保持轻量化和机械稳定性。它存在于自然结构中，如蝴蝶翅膀，也被应用于工程领域，包括需要高效流动和强度的热交换器。
3D打印燃料电池。图片来源：DTU / Nature Energy
突破燃料电池重量瓶颈
传统SOC通常以平板堆叠结构构建，需要金属部件用于密封和电气连接。这些部件往往占系统重量的75%以上，在每公斤都至关重要的应用场景（如航空）中成为重大障碍。
问题的规模可以通过电池类比说明：用锂离子电池替代商用飞机所需的70吨航空燃油，需要约3,500吨电池，使飞行几乎不可能。传统SOC也面临类似限制，因为其结构过重。
为了突破这一限制，DTU团队使用3D打印制造出完全陶瓷化、整体一体的SOC，去除了金属支撑和易碎的密封件。新制造方法将生产步骤减少到5步，而传统堆叠结构需要几十步，最终得到的单件设备被团队称为“单体螺旋固体氧化物电池”，或简称“Monolith”。
Monolith测试显示，其功率重量比超过每克1瓦。据研究人员称，这是SOC首次达到如此高的功率重量比。Nadimpalli解释，这一性能水平是电池和燃料电池等基于电能转换技术在航空航天中可行的前提条件。
除了航空航天，燃料电池在其他领域也已发挥重要作用。它们为氢能汽车和船舶提供动力，为医院和数据中心提供备用电力，并作为储能系统帮助稳定可再生能源电网。其价值在于多功能性，因为燃料电池既可作为发电机，也可作为电解槽生产氢气。在电解模式下，DTU设计的SOC产生氢气的速率几乎是传统SOC的10倍。
Monolith在燃料电池和电解模式之间反复循环，并承受100°C的温度变化。设备在整个过程中保持性能，无剥离或结构破坏。Esposito指出，这种耐久性对于在极端环境中运行的系统至关重要。
在太空探索中，这种耐久性尤为重要。NASA的火星氧气原位资源利用实验（MOXIE）目前依赖重量超过6吨的SOC堆叠从富含二氧化碳的火星大气中生产氧气。DTU团队估算，基于他们设计的系统可在约800公斤的重量下实现相当性能，大幅减轻发射负担。
研究人员还强调，制造方法与性能同样重要。传统SOC堆叠结构组装复杂，需要多步骤和多种材料，随着时间推移会发生降解。一体化陶瓷方法去除了金属和密封件，不仅简化了生产，也有可能延长长期可靠性。
尽管原型机已显著不同于传统设计，团队仍看到进一步改进的机会。他们指出，通过使用更薄的电解质可减轻重量，采用更便宜的电流收集器（如银或镍替代铂），以及更紧凑的几何结构可提高效率。
3D打印陶瓷燃料电池
3D打印使陶瓷燃料电池生产成本更低，设计更灵活，可制造提高效率的复杂形状。同时减少材料浪费，生产更坚固耐用的电池。
来自加泰罗尼亚能源研究所和加泰罗尼亚先进研究机构的研究人员使用陶瓷3D打印制造出新型SOC，比传统SOC更轻、更高效。他们使用立体光刻（SLA）打印平板和波纹膜，材料为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），并添加电极完成电池。
自支撑3D打印8YSZ膜的图像：平板膜（a和b）及波纹膜（c和d）的顶部视图和截面图。图片来源：《材料化学A期刊》。
波纹设计使表面积增加57%（3.15 cm² 对比 2.00 cm²），容量比标准SOC提升60%。电池同样可反向用作电解槽（SOECs），生产氢气或合成气，同时表现出稳定性能和极低降解。
在斯科尔科沃理工学院（Skoltech），研究人员使用低成本微立体光刻（micro-SLA）系统和标准办公投影仪打印复杂陶瓷SOC结构。他们将掺钪氧化锆（6ScSZ）与掺钇氧化锆（8YSZ）结合成分层格栅结构，传统方法无法制造。
这种格栅提升了离子导电率，这是最大化燃料电池效率的关键。团队先通过紫外固化（UV curing）制造“绿态”陶瓷部件，再通过优化烧结和烧制完成致密化，成功展示了一种廉价高性能SOC部件的新制造途径。
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