丹麥技術(shù)大學(DTU)能源轉(zhuǎn)換與儲能系(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。
該團隊提出“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),并計劃將該項目推進至工業(yè)化規(guī)模。
該研究由DTU能源系Vincenzo Esposito教授團隊主導(dǎo),并與DTU Construct合作完成。研究團隊將功率重量比作為SOFC性能提升的核心指標,開發(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3D打印實現(xiàn)。相關(guān)結(jié)構(gòu)在熱環(huán)境和運行條件下的機械穩(wěn)定性,也通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析得到驗證。
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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)計擺脫了傳統(tǒng)層疊結(jié)構(gòu)的限制,帶來了顯著影響:通過薄壁結(jié)構(gòu)以及取消連接件和密封件,大幅減輕重量、降低熱不匹配和機械應(yīng)力,同時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)域的長航程和超緊湊氫動力系統(tǒng)設(shè)計提供了新的可能。
Esposito指出:“‘逃離平面’聽起來順理成章,但長期以來難以實現(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),并通過外殼密封實現(xiàn)氣密性。”
Johannes Homa(Lithoz首席執(zhí)行官)補充稱,通過在其設(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)計有望徹底重塑燃料電池的設(shè)計路徑。
目前,DTU Energy已完成設(shè)計與測試階段,Esposito教授團隊計劃將該技術(shù)推進至工業(yè)化應(yīng)用階段。
(素材來自:丹麥技術(shù)大學 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合)
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