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新型電動汽車可以在 5 分鐘內(nèi)加滿氫燃料，而無需等待數(shù)小時充電。同時，電動車?yán)m(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(shí)上，隨著近年來燃料電池技術(shù)的飛速發(fā)展，這一愿景正越來越接近成為現(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頁的展望文章，新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動機(jī)的理論與設(shè)計指明了發(fā)展方向。
備受關(guān)注，但仍面臨重要技術(shù)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。”焦魁介紹，世界各國相繼出臺了燃料電池相關(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(dá)到了世界先進(jìn)水平。 .
在國家政策的大力支持下，我國燃料電池產(chǎn)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(tuán)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(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發(fā)-極板設(shè)計-電堆設(shè)計-動力系統(tǒng)設(shè)計——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，中國學(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)母偁幜Α?/p>
“雖然取得了一定的成果，但需要注意的是，國內(nèi)外燃料電池發(fā)動機(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，如催化劑活性的進(jìn)一步提高、質(zhì)子膜通道的設(shè)計、流場結(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，也是燃料電池未來發(fā)展的關(guān)鍵。因此，在很長一段時間內(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
中國工程院院士、中國汽車工程學(xué)會理事長李駿指出，與五年前相比，中國的燃料電池技術(shù)有了長足的進(jìn)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(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)此次在國際頂級刊物上強(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)路線及其對性能的貢獻(xiàn)比例改進(jìn)。針對燃料電池涉及的多尺度電化學(xué)和熱物理過程，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)的一套仿真平臺已應(yīng)用于濰柴動力、捷氫科技、新源動力、一汽集團(tuán)、中汽數(shù)據(jù)、博世等10多家企業(yè)，推動氫燃料電池技術(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)境中無需幫助加熱啟動快，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)的超前開發(fā)設(shè)計過程，為我們的產(chǎn)品提供了堅實(shí)的技術(shù)保障。”侯中軍表示，“我們與天津大學(xué)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。”
此外，新源動力與天津大學(xué)合作開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(xiàn)。
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(shè)計依賴于相關(guān)能源材料的開發(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)過程。
焦魁團(tuán)隊(duì)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(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)。“一體化”和“有序化”是未來設(shè)計的兩個重要方向：一方面，雙極板的進(jìn)一步減薄會大大增加流動阻力，給反應(yīng)氣體的供應(yīng)和冷卻液的循環(huán)帶來困難，所以流場和電極的一體化設(shè)計是一種趨勢；另一方面，電極的有序設(shè)計可以更好地組織交付過程，減少生產(chǎn)過程中的不確定性，這也是未來的發(fā)展方向。
焦魁認(rèn)為，燃料電池發(fā)動機(jī)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(yīng)用，幫助實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和。
對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)動機(jī)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(yīng)用范圍會擴(kuò)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(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，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。”焦魁表示，對于汽車行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動機(jī)將應(yīng)用于商用車領(lǐng)域。有更大的發(fā)展空間，未來有望應(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爭力，開發(fā)新一代更經(jīng)濟(jì)、更適用的汽車電堆。
