克萊姆森大學(xué) 3D 打印燃料電池，重新定義可持續(xù)能源發(fā)電

2023年8月20日，南極熊獲悉，克萊姆森大學(xué)的研究人員利用 3D 打印開發(fā)了一種新型質(zhì)子陶瓷燃料電池 (PCFC)，這是一項具有開創(chuàng)性的成就，有望重新塑造可再生能源的格局。與嚴重依賴化石燃料的傳統(tǒng)能源不同，PCFC 使用氫、氨、酒精和可持續(xù)碳氫化合物等可再生燃料。這標(biāo)志著邁向更綠色、更可持續(xù)的發(fā)電方法的重要一步。然而，挑戰(zhàn)在于如何將PCFC的生產(chǎn)規(guī)模擴大到能夠廣泛采用的水平。

為了解決這個障礙，克萊姆森先進材料研究實驗室的一組研究人員決定轉(zhuǎn)向 3D 打印技術(shù)。他們開發(fā)了一種用于制造大面積管狀PCFC（例如15.7cm2）的經(jīng)濟有效的3D打印技術(shù)，其特點是使用商業(yè)原材料、少量粘合劑和CO2激光進行快速原位打印烘干。克萊姆森大學(xué)的整個研究團隊，包括 Jiawei 張、Bridget Sheridan、Jacob Conrad 等人，在著名期刊《ACS Energy Letters》上發(fā)表的一篇題為“3D打印實現(xiàn)高度可擴展的管狀質(zhì)子陶瓷燃料電池/3D Printing EnabledHighly Scalable Tubular Protonic Ceramic Fuel Cells”論文中報告了他們的突破性發(fā)現(xiàn)，鄒敏達博士作為第一作者領(lǐng)導(dǎo)了該研究，材料科學(xué)與工程系的張嘉偉和童建華教授為通訊作者。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01345

這種創(chuàng)新技術(shù)可以以極高的精度創(chuàng)建復(fù)雜且可定制的物體，事實證明3D打印PCFC 改變了傳統(tǒng)制造的游戲規(guī)則。

△研究團隊包括 Jiawei Zhang、Jianhua “Joshua” Tong、Bridget Sheridan、Kyle S. Brinkman、Minda Zou、Fei Peng 和Jacob Conrad（從左到右）。

研究團隊的突破來自于管狀 PCFC，這種設(shè)計與傳統(tǒng)的扁平設(shè)計相比具有明顯的優(yōu)勢。管狀 PCFC 具有增強的耐用性和密封性，使其更具彈性并適合實際應(yīng)用。在一項著名的實驗中，研究人員使用氫氣作為燃料，對單個燃料電池進行了 200 小時的測試，并在整個測試期間持續(xù)發(fā)電。僅這一成果就凸顯了 3D 打印質(zhì)子陶瓷燃料電池與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比具有更高的精度、一致性和成本效益的潛力。

△通過3D 打印實現(xiàn)可擴展的管狀質(zhì)子陶瓷燃料電池（照片來源：ACS Publications）

3D 打印燃料電池的新時代

這項研究的獨特之處在于該團隊成功地在單一集成過程中 3D 打印燃料電池的所有三個關(guān)鍵層（陽極、陰極和電解質(zhì)）。童教授強調(diào)了這一成就的重要性，他表示這一點前無古人。此外，他強調(diào)了他們的方法的簡單性和成本效益，這為未來的商業(yè)化帶來了巨大的希望。

雖然目前 3D 打印單個燃料電池所需的時間約為三個小時，但研究人員已經(jīng)在為下一階段的工作設(shè)想更先進的設(shè)計。憑借這些進步，該團隊預(yù)計 3D 打印質(zhì)子陶瓷燃料電池在未來五年內(nèi)可能實現(xiàn)商業(yè)化。

隨著可再生能源在全球可持續(xù)發(fā)展進程中受到越來越多的關(guān)注，3D 打印 PCFC 等技術(shù)讓我們得以一睹未來可以更高效、更有效地利用清潔能源的前景。