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(xiàng)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(yán)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?xì)浠�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(kuò)大到能夠廣泛采用的水平。

為了解決這個(gè)障礙，克萊姆森先進(jìn)材料研究實(shí)驗(yàn)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(jì)有效的3D打印技術(shù)，其特點(diǎn)是使用商業(yè)原材料、少量粘合劑和CO2激光進(jìn)行快速原位打印烘干�？巳R姆森大學(xué)的整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，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(shí)現(xiàn)高度可擴(kuò)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(bào)告了他們的突破性發(fā)現(xiàn)，鄒敏達(dá)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(shí)證明3D打印PCFC 改變了傳統(tǒng)制造的游戲規(guī)則。

△研究團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的突破來自于管狀 PCFC，這種設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的扁平設(shè)計(jì)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。管狀 PCFC 具有增強(qiáng)的耐用性和密封性，使其更具彈性并適合實(shí)際應(yīng)用。在一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用氫氣作為燃料，對(duì)單個(gè)燃料電池進(jìn)行了 200 小時(shí)的測(cè)試，并在整個(gè)測(cè)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)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(shí)代

這項(xiàng)研究的獨(dú)特之處在于該團(tuán)隊(duì)成功地在單一集成過程中 3D 打印燃料電池的所有三個(gè)關(guān)鍵層（陽極、陰極和電解質(zhì)）。童教授強(qiáng)調(diào)了這一成就的重要性，他表示這一點(diǎn)前無古人。此外，他強(qiáng)調(diào)了他們的方法的簡(jiǎn)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(gè)燃料電池所需的時(shí)間約為三個(gè)小時(shí)，但研究人員已經(jīng)在為下一階段的工作設(shè)想更先進(jìn)的設(shè)計(jì)。憑借這些進(jìn)步，該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì) 3D 打印質(zhì)子陶瓷燃料電池在未來五年內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

隨著可再生能源在全球可持續(xù)發(fā)展進(jìn)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。