丹麥技術(shù)大學(xué)實(shí)現(xiàn)SOFC突破：功率密度提升5倍

丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能系（DTU Energy）的研究人員，在輕量化氫能系統(tǒng)的功率密度提升方面取得了重大突破。

該團(tuán)隊(duì)提出“逃離平面（Escape Flatland）”理念——不再采用傳統(tǒng)的平面層疊結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)其Lithoz CeraFab System 3D打印設(shè)備，制造出具有仿生薄壁陀螺（gyroid）結(jié)構(gòu)的整體式三維燃料電池，從而顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)范式。

研究采用8YSZ（全穩(wěn)定氧化釔鋯）作為電解質(zhì)膜材料，使器件層面的比功率（功率/重量比）相比傳統(tǒng)平面固體氧化物燃料電池（SOFC）提升了5倍。DTU將陶瓷光固化制造（LCM）視為關(guān)鍵使能技術(shù)，并計(jì)劃將該項(xiàng)目推進(jìn)至工業(yè)化規(guī)模。

該研究由DTU能源系Vincenzo Esposito教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，并與DTU Construct合作完成。研究團(tuán)隊(duì)將功率重量比作為SOFC性能提升的核心指標(biāo)，開(kāi)發(fā)出基于8YSZ材料的整體式仿生陀螺結(jié)構(gòu)燃料電池，并通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)。相關(guān)結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境和運(yùn)行條件下的機(jī)械穩(wěn)定性，也通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析得到驗(yàn)證。

在器件層面，該結(jié)構(gòu)的功率重量比接近1 W/g，而傳統(tǒng)平面SOFC通常約為0.2 W/g。Esposito教授表示：“這一創(chuàng)新代表著從平面堆疊向整體式結(jié)構(gòu)的真正范式轉(zhuǎn)變。”

這種設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)層疊結(jié)構(gòu)的限制，帶來(lái)了顯著影響：通過(guò)薄壁結(jié)構(gòu)以及取消連接件和密封件，大幅減輕重量、降低熱不匹配和機(jī)械應(yīng)力，同時(shí)顯著提高空間利用率。這種緊湊輕量的SOFC為水上、陸地以及尤其是航空領(lǐng)域的長(zhǎng)航程和超緊湊氫動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的可能。

Esposito指出：“‘逃離平面’聽(tīng)起來(lái)順理成章，但長(zhǎng)期以來(lái)難以實(shí)現(xiàn)。這種材料與微結(jié)構(gòu)的組合需要極高的復(fù)雜性，而直到最近我們才具備實(shí)現(xiàn)這一概念的制造工具。8YSZ作為成熟的SOFC電解質(zhì)材料，結(jié)合Lithoz的LCM技術(shù)，能夠以高重復(fù)性制造出這種仿生結(jié)構(gòu)，并通過(guò)外殼密封實(shí)現(xiàn)氣密性。”

Johannes Homa（Lithoz首席執(zhí)行官）補(bǔ)充稱，通過(guò)在其設(shè)備上制造復(fù)雜的8YSZ整體式陀螺結(jié)構(gòu)燃料電池，DTU成功減少了對(duì)傳統(tǒng)連接件和密封結(jié)構(gòu)的依賴，而這些一直是限制平面SOFC堆功率密度提升的關(guān)鍵瓶頸。這一整體式設(shè)計(jì)有望徹底重塑燃料電池的設(shè)計(jì)路徑。

目前，DTU Energy已完成設(shè)計(jì)與測(cè)試階段，Esposito教授團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該技術(shù)推進(jìn)至工業(yè)化應(yīng)用階段。

（素材來(lái)自：丹麥技術(shù)大學(xué) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）