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新型電動汽車可以在 5 分鐘內加滿氫燃料，而無需等待數小時充電。同時，電動車續(xù)航里程超過800公里，車輛只排放純凈水，聽起來不可思議。但事實上，隨著近年來燃料電池技術的飛速發(fā)展，這一愿景正越來越接近成為現實。
燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的電化學能量轉換裝置。以氫為燃料的氫燃料電池的唯一產物是水，這是一種清潔高效的能源利用方式。
7月25日獲悉，由天津大學機械工程學院焦魁教授領銜的電化學熱物理實驗室研究團隊近日在Nature上發(fā)表了一篇9頁的展望文章，新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動機的理論與設計指明了發(fā)展方向。
備受關注，但仍面臨重要技術問題
“作為氫能社會布局的重要組成部分，燃料電池裝置發(fā)展核心的問題就是性能的提升?！苯箍榻B，世界各國相繼出臺了燃料電池相關發(fā)展規(guī)劃和指標，并提供了大量資金。目前，世界上更先進的量產燃料電池車型（Toyota MIRAI-2021）可以實現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，我國上海捷氫科技有限公司（以下簡稱捷氫科技）和新源動力股份有限公司（以下簡稱新源動力）自主研發(fā)的電堆功率密度也達到了世界先進水平。 .
在國家政策的大力支持下，我國燃料電池產業(yè)蓬勃發(fā)展。
捷氫科技、新源動力、濰柴動力股份有限公司（以下簡稱濰柴動力）、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、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、上海汽車集團股份有限公司等多家燃料電池相關上下游企業(yè)和大型車企均有已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——整車生產的完整產業(yè)鏈，已實現一定的生產規(guī)模。
此外近年來，中國學者在燃料電池研發(fā)領域的成果也逐漸與工程實踐接軌，轉化為世界一流的燃料電池電堆產品，如PROME系列（捷氫科技）。與豐田、現代等領先的燃料電池汽車企業(yè)相比，我國本土汽車企業(yè)在燃料電池電堆技術方面也具有相當的競爭力。
“雖然取得了一定的成果，但需要注意的是，國內外燃料電池發(fā)動機的預期性能指標仍有較大差距。如果需要全球量產，燃料電池技術仍面臨幾項重要技術”焦魁說，如催化劑活性的進一步提高、質子膜通道的設計、流場結構的優(yōu)化等，宏觀指標體現的是性能、成本和壽命的綜合問題。其中，性能的提升在這三者中起主導作用，也是燃料電池未來發(fā)展的關鍵。因此，在很長一段時間內，實現超高功率密度將成為燃料電池技術發(fā)展的主要目標。
推廣應用并描述燃料電池路線圖
中國工程院院士、中國汽車工程學會理事長李駿指出，與五年前相比，中國的燃料電池技術有了長足的進步。在燃料電池電堆方面，單堆功率密度和啟動溫度壽命、最高效率等最低冷態(tài)指標得到大幅提升，形成了完整的燃料電池材料、組件和系統(tǒng)制造生產鏈。
焦魁團隊此次在國際頂級刊物上強調了新一代燃料電池超高功率密度的目標，并明確指出了各部件發(fā)展的技術路線及其對性能的貢獻比例改進。針對燃料電池涉及的多尺度電化學和熱物理過程，結合能源材料領域的最新成果，質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等核心部件的發(fā)展路線已進行了深入分析，并進行了模擬計算，給出了具體的技術指標。
據了解，焦魁團隊自主研發(fā)的一套仿真平臺已應用于濰柴動力、捷氫科技、新源動力、一汽集團、中汽數據、博世等10多家企業(yè)，推動氫燃料電池技術進步。
以捷氫科技為例。捷氫科技推出了完全自主設計研發(fā)的燃料電池PROME M3H電堆。以前的“卡脖子”技術——雙極板和膜電極也已經國產。據捷氫科技副總經理侯中軍博士介紹，PROME M3H電堆各項指標均達到國際先進水平，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)境中無需幫助加熱啟動快，電堆最高工作溫度可達95℃，耐熱性極佳。
“正是基于燃料電池仿真技術的超前開發(fā)設計過程，為我們的產品提供了堅實的技術保障?！焙钪熊姳硎?，“我們與天津大學就燃料電池工程開發(fā)開展了長期合作，未來將繼續(xù)深入合作?！?/p>
此外，新源動力與天津大學合作開展燃料電池水熱管理技術研究，利用仿真技術為工況選擇提供有效指導。公司自主研發(fā)成功大功率燃料電池，電堆功率密度達到4.2kW/L，可在-40℃低溫下無輔助啟動。
目前，新源動力推出的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。
劍指未來，燃料電池汽車大顯身手
從近 20 年的發(fā)展歷程來看，新一代燃料電池的設計依賴于相關能源材料的開發(fā)及其內部工藝的優(yōu)化，而挑戰(zhàn)在于多尺度復雜結構和燃料電池中的物理化學過程。
焦魁團隊的文章創(chuàng)新地指出，雙極板和膜電極對未來功率密度提升的貢獻分別約為30%和70%，需要共同優(yōu)化組件才能實現目標?！耙惑w化”和“有序化”是未來設計的兩個重要方向：一方面，雙極板的進一步減薄會大大增加流動阻力，給反應氣體的供應和冷卻液的循環(huán)帶來困難，所以流場和電極的一體化設計是一種趨勢；另一方面，電極的有序設計可以更好地組織交付過程，減少生產過程中的不確定性，這也是未來的發(fā)展方向。
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的重要作用，即通過清潔能源的應用，幫助實現碳達峰和碳中和。
對于燃料電池汽車行業(yè)而言，相關技術的發(fā)展將提高燃料電池汽車的輸出功率，減小發(fā)動機體積，降低催化劑成本，提高部件耐用性。對于燃料電池汽車來說，續(xù)航里程會增加，應用范圍會擴大，汽車成本會降低，燃料電池汽車的壽命會增加。這種增加具有直接的刺激作用。對于整個汽車行業(yè)來說，氫燃料電池發(fā)動機技術的發(fā)展為汽車能源結構注入了新的活力。結合內燃機技術和鋰電池技術，有望共同完善能源利用體系。
“未來，燃料電池電堆的功率密度和壽命將進一步提升，體積和成本將進一步降低，在能源領域將逐步大顯身手?！苯箍硎?，對于汽車行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動機將應用于商用車領域。有更大的發(fā)展空間，未來有望應用到更多車型上；在乘用車方面，燃料電池汽車需要更具成本競爭力，開發(fā)新一代更經濟、更適用的汽車電堆。
