克莱姆森大学 3D 打印燃料电池，重新定义可持续能源发电

2023年8月20日，南极熊获悉，克莱姆森大学的研究人员利用 3D 打印开发了一种新型质子陶瓷燃料电池 (PCFC)，这是一项具有开创性的成就，有望重新塑造可再生能源的格局。与严重依赖化石燃料的传统能源不同，PCFC 使用氢、氨、酒精和可持续碳氢化合物等可再生燃料。这标志着迈向更绿色、更可持续的发电方法的重要一步。然而，挑战在于如何将PCFC的生产规模扩大到能够广泛采用的水平。

为了解决这个障碍，克莱姆森先进材料研究实验室的一组研究人员决定转向 3D 打印技术。他们开发了一种用于制造大面积管状PCFC（例如15.7cm2）的经济有效的3D打印技术，其特点是使用商业原材料、少量粘合剂和CO2激光进行快速原位打印烘干。克莱姆森大学的整个研究团队，包括 Jiawei 张、Bridget Sheridan、Jacob Conrad 等人，在著名期刊《ACS Energy Letters》上发表的一篇题为“3D打印实现高度可扩展的管状质子陶瓷燃料电池/3D Printing EnabledHighly Scalable Tubular Protonic Ceramic Fuel Cells”论文中报告了他们的突破性发现，邹敏达博士作为第一作者领导了该研究，材料科学与工程系的张嘉伟和童建华教授为通讯作者。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.3c01345

这种创新技术可以以极高的精度创建复杂且可定制的物体，事实证明3D打印PCFC 改变了传统制造的游戏规则。

△研究团队包括 Jiawei Zhang、Jianhua “Joshua” Tong、Bridget Sheridan、Kyle S. Brinkman、Minda Zou、Fei Peng 和Jacob Conrad（从左到右）。

研究团队的突破来自于管状 PCFC，这种设计与传统的扁平设计相比具有明显的优势。管状 PCFC 具有增强的耐用性和密封性，使其更具弹性并适合实际应用。在一项著名的实验中，研究人员使用氢气作为燃料，对单个燃料电池进行了 200 小时的测试，并在整个测试期间持续发电。仅这一成果就凸显了 3D 打印质子陶瓷燃料电池与传统制造技术相比具有更高的精度、一致性和成本效益的潜力。

△通过3D 打印实现可扩展的管状质子陶瓷燃料电池（照片来源：ACS Publications）

3D 打印燃料电池的新时代

这项研究的独特之处在于该团队成功地在单一集成过程中 3D 打印燃料电池的所有三个关键层（阳极、阴极和电解质）。童教授强调了这一成就的重要性，他表示这一点前无古人。此外，他强调了他们的方法的简单性和成本效益，这为未来的商业化带来了巨大的希望。

虽然目前 3D 打印单个燃料电池所需的时间约为三个小时，但研究人员已经在为下一阶段的工作设想更先进的设计。凭借这些进步，该团队预计 3D 打印质子陶瓷燃料电池在未来五年内可能实现商业化。

随着可再生能源在全球可持续发展进程中受到越来越多的关注，3D 打印 PCFC 等技术让我们得以一睹未来可以更高效、更有效地利用清洁能源的前景。