综述：3D打印技术驱动的低温氢电化学转换装置的进展与创新

这篇综述系统总结了3D打印技术在质子交换膜燃料电池(PEMFCs)和水电解槽(ALK/PEMECs/AEMECs)关键部件制造中的应用进展。文章详细分析了直接墨水书写(DIW)、熔融沉积成型(FDM)等7种主流3D打印技术的特点，重点阐述了其在催化剂层(CL)、双极板(BP)、气体扩散层(GDL)和电极等核心组件中的创新应用，提出了未来集成化、梯度化设计的发展方向。

　　

2 3D打印技术概述

3D打印技术凭借其设计灵活性和材料多样性，在氢能领域展现出独特优势。主流技术包括：

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  直接墨水书写(DIW)：通过精确堆叠高粘弹性浆料构建复杂结构，其流变特性（如屈服应力σ_y和粘度η）直接影响打印质量。

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  熔融沉积成型(FDM)：以低成本快速成型热塑性树脂，但需通过参数优化（如喷嘴温度、层厚）改善机械性能。

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  数字光处理(DLP)：利用紫外光固化光敏树脂，可实现<10μm的高精度结构，已应用于多孔电极制造。

3 在质子交换膜燃料电池中的应用

3.1 催化剂层制造

喷墨打印(IJP)技术可将铂催化剂负载降至0.020 mg_Pt cm^-2，并通过梯度分布设计使铂利用率提升至16 W mg^-1 Pt。纳米转印技术制备的铂纳米线多尺度结构，使最大功率密度较传统Pt/C电极提高43%。

3.2 双极板创新

选择性激光熔化(SLM)打印的三维阶梯流场双极板，在0.55V时功率密度达672.7 mW cm^-2，较传统平行流场提升26%。柔性TangoPlus材料打印的可弯曲流场板，通过曲率增加MEA压缩应力，使欧姆电阻显著降低。

4 在水电解槽中的突破

4.1 电极结构设计

DIW技术制备的周期性镍电极(3DPNi)通过规则孔道将气泡转移距离缩短62.9%。仿生壁虎脚结构的石墨烯/碳纳米管电极在1.58V下实现30 mA cm^-2的电流密度。

4.2 多孔传输层优化

电子束熔化(EBM)制造的钛基PTL使PEMEC性能提升8%。梯度镍PTL(Ni-240/550)在1.95V下实现2 A cm^-2电流密度，气泡直径减小40%。

5 挑战与展望

当前技术瓶颈包括：

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  金属打印精度不足（商用SLM分辨率约1mm）

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  聚合物材料导电性差（需银/金涂层处理）

  未来发展方向聚焦：

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  光刻金属制造技术（精度达10μm）

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  一体化双极电极(AIOBE)设计

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  计算流体力学(CFD)辅助的结构优化