丹麦技术大学一组研究人员可能已攻克可持续能源领域难题：制造出足够轻且强大的燃料电池用于航空航天应用。

丹麦技术大学能源学院(DTU Energy)和建筑学院(DTU Construct)开展跨学科合作，利用3D打印和螺旋几何技术，对固体氧化物电池(SOC)进行彻底重新设计。这种复杂结构经数学优化，能在给定体积内增加表面积，类似自然界中蝴蝶翅膀等结构，工程师将其用于热交换器。螺旋结构坚固、表面积大且重量轻，丹麦技术大学科学家首次展示如何利用其制造SOC等电化学转换装置。

当前，商用飞机依靠航空燃料提供动力。若用容量相近的锂离子电池替换普通喷气式飞机70吨燃料，飞机重量将达3500吨，无法起飞。现有燃料电池大多局限于扁平、笨重的电堆，依赖金属部件密封和连接，金属部件占燃料电池系统重量75%以上，严重限制其在航空航天等领域的应用。

在《自然能源》杂志发表的新论文中，丹麦技术大学科学家或许颠覆了这一模式。能源系Vincenzo Esposito教授、建筑系高级研究员Venkata Karthik Nadimpalli及几位同事设计出全新燃料电池，完全由陶瓷制成，通过3D打印技术制造。打印结构为三重周期极小曲面(TPMS)，经数学优化实现最大表面积和最小重量。

他们将其命名为单片螺旋固体氧化物电池(Monolithic Gyroidal Solid Oxide Cell)，简称“单片”(The Monolith)，每克能量超过1瓦。通讯作者纳迪姆帕利(Nadimpalli)称，这不仅是首创，还极大拓宽了燃料电池潜在应用领域。他表示，目前基于电能的能源转换技术对航空航天应用意义不大，但新型燃料电池设计改变了这一现状，首次使用可持续绿色技术，展示出航空航天所需的瓦特与克的比值(比功率)。

燃料电池影响在多个领域显著，除氢动力汽车外，还用于医院、数据中心、船舶电源及可再生能源系统储能，能在发电和储能(电解)模式间切换，应用灵活。

丹麦技术大学科学家团队研发的新型燃料电池还带来诸多变革。除显著减轻重量外，该系统能使气体高效流经电池，改善热量分布，增强机械稳定性。切换到电解模式后，氢气产氢速度几乎是传统设计的10倍。通讯作者埃斯波西托称，在极端条件下测试，包括100°C温度波动及燃料电池和电解模式间反复切换，燃料电池表现出色，无结构故障或层分离迹象。

这种弹性对美国宇航局的火星氧气ISRU实验(MOXIE)等太空任务至关重要，该实验旨在从火星富含二氧化碳的大气中产生氧气。目前，此任务依赖重量超6吨的大型火箭堆，新设计可在800公斤重量下达到类似性能，将大幅降低发射设备成本。

通讯作者Nadimpalli解释，这种设计不仅性能出色，制造方法也引人注目。传统SOC堆栈需几十个制造步骤，依赖多种会随时间降解的材料，而单片陶瓷设计只需五个步骤生产，无需使用金属，避免了易碎密封。他还表示，相信可通过使用更薄电解质、更便宜集电器(如用银或镍代替铂)及更紧凑设计进一步改进系统。

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更多信息： Zhipeng Zhou 等，《通过增材制造制备单片螺旋固体氧化物电池》，《自然能源》(2025)。杜延海，《螺旋线的力量》，《自然能源》(2025)。