丹麦技术大学（DTU）能源转换与存储系的研究团队近日展示了一种全新的固体氧化物燃料电池（SOFC）设计架构。研究人员利用基于光刻的陶瓷制造（LCM）技术，在Lithoz CeraFab系统上使用氧化钇稳定氧化锆（8YSZ）材料，打印出具有仿生陀螺（gyroid）几何结构的单片式陶瓷燃料电池。与传统平面型SOFC架构相比，新型电池的功率重量比提升了约五倍。

“逃离平面”的革命

该研究由Vincenzo Esposito教授领导。测试结果显示，新型设备的功率重量比在器件层面达到约1 W/g，而传统平面构型的典型值约为0.2 W/g。DTU Construct的Venkata Karthik Nadimpalli副教授参与了结构评估工作，其专长涵盖拱形陶瓷材料在热与运行条件下的力学行为与结构优化。

Esposito教授表示：“我们的座右铭‘逃离平面’听起来像是一个合乎逻辑的步骤，但长期以来一直无法实现。材料和微结构的特定排列需要极高的复杂度——但直到最近，我们才真正拥有了将这一概念变为现实的工具。”

单片式设计消除连接体与密封件

传统的平面型SOFC堆栈需要依赖连接体（interconnects）和密封件（sealants）来实现多层电池的串联与气体隔离。这些部件不仅增加了重量和热失配风险，还引入了额外的机械应力。而DTU团队开发的单片式陀螺设计，将电极、电解质等功能层集成在一个连续的三维结构中，从根本上消除了对连接体和密封件的需求，从而减轻了重量、降低了热失配与机械应力，同时提高了体积利用率。

Esposito教授进一步指出：“8YSZ仍然是SOFC领域应用最广泛、技术最成熟的电解质材料之一。凭借其成熟的精度和可扩展性，Lithoz的LCM技术在处理这些仿生三周期极小曲面（TPMS）几何结构时展现出最高的可重复性，能够制造出尽可能薄的内壁，这些内壁本身就满足了气体供应的要求。单片式概念的实现，关键在于精确复制这些陀螺单元，并添加密封的框架外壳以保持气密条件。”

迈向工业化

Lithoz公司首席执行官Johannes Homa评论道：“通过在Lithoz CeraFab打印机上实现具有复杂陀螺几何形状的8YSZ单片式燃料电池，DTU成功减少了对传统平面堆栈中连接体和密封架构的依赖。这些部件历来是商业平面SOFC堆栈在追求更高功率密度时的致命弱点，因此也一直是改善功率重量比过程中的关注焦点。DTU革命性的单片式概念彻底消除了逐步优化这些瓶颈点的必要性，为燃料电池设计的全面重构铺平了道路。我们对其将对全球氢能产业产生的影响感到无比兴奋。”

据了解，Esposito教授团队目前正计划将该技术推向工业规模。此项研究不仅为SOFC的轻量化和高性能化开辟了新路径，其结合增材制造与仿生设计的思路，也对其他电化学能量转换设备的开发具有重要借鉴意义。