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新型電動(dòng)汽車可以在 5 分鐘內(nèi)加滿氫燃料，而無(wú)需等待數(shù)小時(shí)充電。同時(shí)，電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程超過(guò)800公里，車輛只排放純凈水，聽(tīng)起來(lái)不可思議。但事實(shí)上，隨著近年來(lái)燃料電池技術(shù)的飛速發(fā)展，這一愿景正越來(lái)越接近成為現(xiàn)實(shí)。
燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置。以氫為燃料的氫燃料電池的唯一產(chǎn)物是水，這是一種清潔高效的能源利用方式。
7月25日獲悉，由天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院焦魁教授領(lǐng)銜的電化學(xué)熱物理實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)近日在Nature上發(fā)表了一篇9頁(yè)的展望文章，新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的理論與設(shè)計(jì)指明了發(fā)展方向。
備受關(guān)注，但仍面臨重要技術(shù)問(wèn)題
“作為氫能社會(huì)布局的重要組成部分，燃料電池裝置發(fā)展核心的問(wèn)題就是性能的提升?！苯箍榻B，世界各國(guó)相繼出臺(tái)了燃料電池相關(guān)發(fā)展規(guī)劃和指標(biāo)，并提供了大量資金。目前，世界上更先進(jìn)的量產(chǎn)燃料電池車型（Toyota MIRAI-2021）可以實(shí)現(xiàn)4.4kW/L的燃料電池電堆功率密度，比五年前發(fā)布的車型提高了約40%。值得一提的是，我國(guó)上海捷氫科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱捷氫科技）和新源動(dòng)力股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱新源動(dòng)力）自主研發(fā)的電堆功率密度也達(dá)到了世界先進(jìn)水平。 .
在國(guó)家政策的大力支持下，我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。
捷氫科技、新源動(dòng)力、濰柴動(dòng)力股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱濰柴動(dòng)力）、中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)一汽）、未勢(shì)能源科技有限公司、上海治臻新能源裝備有限公司 公司、中自環(huán)保科技股份有限公司、上海汽車集團(tuán)股份有限公司等多家燃料電池相關(guān)上下游企業(yè)和大型車企均有已具備燃料電池膜電極開(kāi)發(fā)-極板設(shè)計(jì)-電堆設(shè)計(jì)-動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)——整車生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，已實(shí)現(xiàn)一定的生產(chǎn)規(guī)模。
此外近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者在燃料電池研發(fā)領(lǐng)域的成果也逐漸與工程實(shí)踐接軌，轉(zhuǎn)化為世界一流的燃料電池電堆產(chǎn)品，如PROME系列（捷氫科技）。與豐田、現(xiàn)代等領(lǐng)先的燃料電池汽車企業(yè)相比，我國(guó)本土汽車企業(yè)在燃料電池電堆技術(shù)方面也具有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。
“雖然取得了一定的成果，但需要注意的是，國(guó)內(nèi)外燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)期性能指標(biāo)仍有較大差距。如果需要全球量產(chǎn)，燃料電池技術(shù)仍面臨幾項(xiàng)重要技術(shù)”焦魁說(shuō)，如催化劑活性的進(jìn)一步提高、質(zhì)子膜通道的設(shè)計(jì)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等，宏觀指標(biāo)體現(xiàn)的是性能、成本和壽命的綜合問(wèn)題。其中，性能的提升在這三者中起主導(dǎo)作用，也是燃料電池未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵。因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)超高功率密度將成為燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。
推廣應(yīng)用并描述燃料電池路線圖
中國(guó)工程院院士、中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)李駿指出，與五年前相比，中國(guó)的燃料電池技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在燃料電池電堆方面，單堆功率密度和啟動(dòng)溫度壽命、最高效率等最低冷態(tài)指標(biāo)得到大幅提升，形成了完整的燃料電池材料、組件和系統(tǒng)制造生產(chǎn)鏈。
焦魁團(tuán)隊(duì)此次在國(guó)際頂級(jí)刊物上強(qiáng)調(diào)了新一代燃料電池超高功率密度的目標(biāo)，并明確指出了各部件發(fā)展的技術(shù)路線及其對(duì)性能的貢獻(xiàn)比例改進(jìn)。針對(duì)燃料電池涉及的多尺度電化學(xué)和熱物理過(guò)程，結(jié)合能源材料領(lǐng)域的最新成果，質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板等核心部件的發(fā)展路線已進(jìn)行了深入分析，并進(jìn)行了模擬計(jì)算，給出了具體的技術(shù)指標(biāo)。
據(jù)了解，焦魁團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的一套仿真平臺(tái)已應(yīng)用于濰柴動(dòng)力、捷氫科技、新源動(dòng)力、一汽集團(tuán)、中汽數(shù)據(jù)、博世等10多家企業(yè)，推動(dòng)氫燃料電池技術(shù)進(jìn)步。
以捷氫科技為例。捷氫科技推出了完全自主設(shè)計(jì)研發(fā)的燃料電池PROME M3H電堆。以前的“卡脖子”技術(shù)——雙極板和膜電極也已經(jīng)國(guó)產(chǎn)。據(jù)捷氫科技副總經(jīng)理侯中軍博士介紹，PROME M3H電堆各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，額定功率130千瓦，電堆功率密度3.8千瓦/升，可使用在 -30°C 的極冷環(huán)境中無(wú)需幫助加熱啟動(dòng)快，電堆最高工作溫度可達(dá)95℃，耐熱性極佳。
“正是基于燃料電池仿真技術(shù)的超前開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，為我們的產(chǎn)品提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障?！焙钪熊姳硎荆拔覀兣c天津大學(xué)就燃料電池工程開(kāi)發(fā)開(kāi)展了長(zhǎng)期合作，未來(lái)將繼續(xù)深入合作?！?/p>
此外，新源動(dòng)力與天津大學(xué)合作開(kāi)展燃料電池水熱管理技術(shù)研究，利用仿真技術(shù)為工況選擇提供有效指導(dǎo)。公司自主研發(fā)成功大功率燃料電池，電堆功率密度達(dá)到4.2kW/L，可在-40℃低溫下無(wú)輔助啟動(dòng)。
目前，新源動(dòng)力推出的HYSYS-70、100和120系列車用燃料電池系統(tǒng)已成功取消加濕器，降低系統(tǒng)整體重量和體積，為功率密度的提升做出了不小的貢獻(xiàn)。
劍指未來(lái)，燃料電池汽車大顯身手
從近 20 年的發(fā)展歷程來(lái)看，新一代燃料電池的設(shè)計(jì)依賴于相關(guān)能源材料的開(kāi)發(fā)及其內(nèi)部工藝的優(yōu)化，而挑戰(zhàn)在于多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)和燃料電池中的物理化學(xué)過(guò)程。
焦魁團(tuán)隊(duì)的文章創(chuàng)新地指出，雙極板和膜電極對(duì)未來(lái)功率密度提升的貢獻(xiàn)分別約為30%和70%，需要共同優(yōu)化組件才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?！耙惑w化”和“有序化”是未來(lái)設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要方向：一方面，雙極板的進(jìn)一步減薄會(huì)大大增加流動(dòng)阻力，給反應(yīng)氣體的供應(yīng)和冷卻液的循環(huán)帶來(lái)困難，所以流場(chǎng)和電極的一體化設(shè)計(jì)是一種趨勢(shì)；另一方面，電極的有序設(shè)計(jì)可以更好地組織交付過(guò)程，減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性，這也是未來(lái)的發(fā)展方向。
焦魁認(rèn)為，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的戰(zhàn)略意義在于其在氫能社會(huì)中的重要作用，即通過(guò)清潔能源的應(yīng)用，幫助實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。
對(duì)于燃料電池汽車行業(yè)而言，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將提高燃料電池汽車的輸出功率，減小發(fā)動(dòng)機(jī)體積，降低催化劑成本，提高部件耐用性。對(duì)于燃料電池汽車來(lái)說(shuō)，續(xù)航里程會(huì)增加，應(yīng)用范圍會(huì)擴(kuò)大，汽車成本會(huì)降低，燃料電池汽車的壽命會(huì)增加。這種增加具有直接的刺激作用。對(duì)于整個(gè)汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展為汽車能源結(jié)構(gòu)注入了新的活力。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和鋰電池技術(shù)，有望共同完善能源利用體系。
“未來(lái)，燃料電池電堆的功率密度和壽命將進(jìn)一步提升，體積和成本將進(jìn)一步降低，在能源領(lǐng)域?qū)⒅鸩酱箫@身手?！苯箍硎?，對(duì)于汽車行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)將應(yīng)用于商用車領(lǐng)域。有更大的發(fā)展空間，未來(lái)有望應(yīng)用到更多車型上；在乘用車方面，燃料電池汽車需要更具成本競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)發(fā)新一代更經(jīng)濟(jì)、更適用的汽車電堆。
