燃料電池是一種將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學能量轉(zhuǎn)換裝置，其中以氫氣為燃料的氫燃料電池的唯一產(chǎn)物為水铆韭，是一種清潔高效的能源利用方式丘隙。
7月25日，記者獲悉菜涯，天津大學機械工程學院教授焦魁帶領的電化學熱物理實驗室研究團隊伶离，近日在《自然》發(fā)表了篇幅達9頁的展望文章，為新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動機理論與設計指明了發(fā)展方向拣末。
備受關注诺教，但仍面臨重要技術問題
“作為氫能社會布局的重要一環(huán)，燃料電池裝置開發(fā)最為核心的問題就是其性能的提升饼瓮。”焦魁介紹碗帅，世界各國先后頒布了燃料電池相關的發(fā)展計劃及指標，并給予大量資助豹爹。目前裆悄，世界上較為先進的量產(chǎn)燃料電池車型(豐田MIRAI-2021)可實現(xiàn)燃料電池電堆功率密度4.4千瓦/升，相較于5年前發(fā)布的車型提升約40%臂聋。值得一提的是光稼，目前我國上海捷氫科技有限公司(以下簡稱捷氫科技)、新源動力股份有限公司(以下簡稱新源動力)等企業(yè)自主開發(fā)的電堆功率密度也達到了世界先進水平孩等。
在國家政策的大力扶持下艾君，中國燃料電池產(chǎn)業(yè)百花齊放。
捷氫科技、新源動力腻贰、濰柴動力股份有限公司(以下簡稱濰柴動力)吁恍、中國第一汽車集團有限公司(以下簡稱中國一汽)、未勢能源科技有限公司播演、上海治臻新能源裝備有限公司冀瓦、中自環(huán)保科技股份有限公司以及上海汽車集團股份有限公司等多家燃料電池相關的上下游企業(yè)和大型車企写烤，已經(jīng)具備燃料電池膜電極開發(fā)—極板設計—電堆設計—動力系統(tǒng)設計—整車生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈秘舅，實現(xiàn)了一定的生產(chǎn)規(guī)模。
另外培车，近年來我國學者在燃料電池研發(fā)領域的成果也逐步與工程實際接軌猩烘，并轉(zhuǎn)化為世界先進水平的燃料電池堆產(chǎn)品，如捷氫科技的PROME系列割钧。相較于豐田内会、現(xiàn)代等燃料電池汽車龍頭企業(yè)，我國本土車企在燃料電池堆技術層面也已經(jīng)具有了相當?shù)母偁幜Α?/p>
“雖然取得了一定的成果衔侯，但需要看到的是蝉嘲，國內(nèi)外燃料電池發(fā)動機距離預期性能指標仍有較大差距。若需要實現(xiàn)全球大規(guī)模生產(chǎn)迈枪，燃料電池技術仍然面臨幾個重要的技術問題痛的。”焦魁說，比如催化劑活性的進一步提升违酣、質(zhì)子膜通道設計梆栏、流場結(jié)構優(yōu)化等，體現(xiàn)在宏觀指標上就是性能受啥、成本與壽命的綜合問題做个。其中性能的提升在此三者中起著主導性作用，也是燃料電池未來發(fā)展的關鍵腔呜，故實現(xiàn)超高功率密度將成為之后較長一段時間內(nèi)燃料電池技術發(fā)展的主要目標叁温。
推動應用，描繪燃料電池路線圖
中國工程院院士核畴、中國汽車工程學會理事長李駿指出，中國燃料電池冲九，尤其是氫能燃料電池技術較5年前有了長足的進步谤草，燃料電池堆方面，電堆的單堆功率密度莺奸、最低冷啟動溫度壽命以及最高效率等指標均有大幅改善丑孩，已建立起完備的燃料電池材料、部件、系統(tǒng)的制造與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈温学。
焦魁團隊此次在國際頂尖刊物上強調(diào)了新一代燃料電池超高功率密度的目標略贮，明確指出了各部件發(fā)展的技術路線，及其對性能提升的貢獻比重仗岖。針對燃料電池中涉及的多尺度電化學梯盹、熱物理過程，結(jié)合能源材料領域最新成果欲堪，對質(zhì)子交換膜约绒、催化劑、氣體擴散層涯蜜、雙極板等核心部件的發(fā)展路線進行了深入分析痛主，并通過仿真計算給出了具體的技術指標。
據(jù)了解烙锉，焦魁團隊自主開發(fā)的一整套仿真平臺已經(jīng)應用于濰柴動力蚂芹、捷氫科技、新源動力孙鼎、一汽集團榨厚、中汽數(shù)據(jù)有限公司、博世等10余家企業(yè)囱悴，推動了氫燃料電池技術進展沧仿。
以捷氫科技為例，捷氫科技推出了完全自主設計開發(fā)的燃料電池PROME M3H電堆甫题，曾經(jīng)的“卡脖子”技術——雙極板和膜電極也實現(xiàn)了國產(chǎn)化馁筐。捷氫科技副總經(jīng)理侯中軍博士介紹，PROME M3H電堆各項指標均達到國際先進水平坠非，額定功率130千瓦敏沉，電堆功率密度達3.8千瓦/升，可在-30℃的極寒環(huán)境下無輔助加熱快速啟動炎码，電堆的最高工作溫度可達95℃盟迟，耐熱性能極佳。
“正是基于燃料電池仿真技術構建的正向開發(fā)設計流程潦闲，為我們的產(chǎn)品提供了堅實的技術保障攒菠。”侯中軍表示，“我們與天津大學在燃料電池工程開發(fā)方面展開了長期的合作歉闰，而且未來會持續(xù)進行深入合作辖众。”
此外，新源動力通過與天津大學合作開展燃料電池水熱管理技術的研究和敬，利用仿真技術為操作條件的篩選提供了有效的指導凹炸。公司成功自主研發(fā)大功率燃料電池戏阅，電堆功率密度也達到4.2千瓦/升，可在-40℃低溫下無輔助啟動运诺。
目前做法，新源動力推出的車用燃料電池系統(tǒng)HYSYS-70、100和120系列產(chǎn)品都成功實現(xiàn)取消增濕器幢垮，減少了系統(tǒng)整體重量和體積反饲，為功率密度的提升作出了可觀的貢獻。
劍指未來队屋，燃料電池車將大展身手
從近20年來的發(fā)展歷程來看拱屈，新一代燃料電池設計有賴于相關能源材料的開發(fā)與其內(nèi)部過程的優(yōu)化，而挑戰(zhàn)則在于燃料電池內(nèi)多尺度復雜結(jié)構與物理化學過程卵手。
焦魁團隊的文章創(chuàng)新性地指出鸦贩，雙極板和膜電極對未來功率密度提升的貢獻度分別約為30%和70%，各部件需要協(xié)同優(yōu)化才能實現(xiàn)目標诫列。“一體化”和“有序化”是未來設計的兩個重要方向：一方面垄怯，雙極板進一步減薄會極大增加流動阻力，給反應氣體供給和冷卻液循環(huán)帶來困難剂东，因此流場和電極的一體化設計是一種趨勢;另一方面迂卢，電極設計的有序化能夠更好地組織傳遞過程，并降低生產(chǎn)過程中的不確定性桐汤，也是未來的發(fā)展方向而克。
焦魁認為，燃料電池發(fā)動機的戰(zhàn)略意義在于其在氫能社會中扮演的重要角色怔毛，在于通過清潔能源的應用助力實現(xiàn)碳達峰员萍、碳中和。
對燃料電池車產(chǎn)業(yè)而言拣度，相關技術的發(fā)展將提升燃料電池車輸出功率碎绎、降低發(fā)動機體積、降低催化劑成本抗果、提升部件耐久性筋帖，對于燃料電池車續(xù)航里程增加、適用范圍擴大冤馏、車輛成本降低日麸、壽命增加都有著直接的促進作用。對于整個汽車產(chǎn)業(yè)而言逮光，氫燃料電池發(fā)動機技術的發(fā)展為車用能源結(jié)構注入了新活力赘淮，與內(nèi)燃機技術、鋰電池技術相結(jié)合醇盏，有望共同完善能源利用體系腔族。
“未來，燃料電池堆的功率密度與壽命將進一步提升秘乍，體積與成本進一步下降羽折，并逐步在能源領域大展身手。”焦魁展望說崖郎，對汽車行業(yè)而言巍樟，燃料電池發(fā)動機在商用車領域?qū)⒂懈蟮陌l(fā)揮空間，未來有望應用在更多的車型上;在乘用車方面写雾，燃料電池車需要在成本上更具競爭力捍幽，研發(fā)新一代更為經(jīng)濟、適用性更強的車用電堆蓬抖。
