燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉化為電能的電化學(xué)能量轉換裝置，其中以氫氣為燃料的氫燃料電池的唯一產(chǎn)物為水，是一種清潔高效的能源利用方式。
7月25日，記者獲悉，天津大學(xué)機械工程學(xué)院教授焦魁帶領(lǐng)的電化學(xué)熱物理實(shí)驗室研究團隊，近日在《自然》發(fā)表了篇幅達9頁(yè)的展望文章，為新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動(dòng)機理論與設計指明了發(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 )布局的重要一環(huán)，燃料電池裝置開(kāi)發(fā)最為核心的問(wèn)題就是其性能的提升。”焦魁介紹，世界各國先后頒布了燃料電池相關(guān)的發(fā)展計劃及指標，并給予大量資助。目前，世界上較為先進(jìn)的量產(chǎn)燃料電池車(chē)型(豐田MIRAI-2021)可實(shí)現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(chē)型提升約40%。值得一提的是，目前我國上海捷氫科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)捷氫科技)、新源動(dòng)力股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新源動(dòng)力)等企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的電堆功率密度也達到了世界先進(jìn)水平。
在國家政策的大力扶持下，中國燃料電池產(chǎn)業(yè)百花齊放。
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(chēng)濰柴動(dòng)力)、中國第一汽車(chē)集團有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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、中自環(huán)?？萍脊煞萦邢薰疽约吧虾Ｆ?chē)集團股份有限公司等多家燃料電池相關(guān)的上下游企業(yè)和大型車(chē)企，已經(jīng)具備燃料電池膜電極開(kāi)發(fā)—極板設計—電堆設計—動(dòng)力系統設計—整車(chē)生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現了一定的生產(chǎn)規模。
另外，近年來(lái)我國學(xué)者在燃料電池研發(fā)領(lǐng)域的成果也逐步與工程實(shí)際接軌，并轉化為世界先進(jìn)水平的燃料電池堆產(chǎn)品，如捷氫科技的PROME系列。相較于豐田、現代等燃料電池汽車(chē)龍頭企業(yè)，我國本土車(chē)企在燃料電池堆技術(shù)層面也已經(jīng)具有了相當的競爭力。
“雖然取得了一定的成果，但需要看到的是，國內外燃料電池發(fā)動(dòng)機距離預期性能指標仍有較大差距。若需要實(shí)現全球大規模生產(chǎn)，燃料電池技術(shù)仍然面臨幾個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。”焦魁說(shuō)，比如催化劑活性的進(jìn)一步提升、質(zhì)子膜通道設計、流場(chǎng)結構優(yōu)化等，體現在宏觀(guān)指標上就是性能、成本與壽命的綜合問(wèn)題。其中性能的提升在此三者中起著(zhù)主導性作用，也是燃料電池未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵，故實(shí)現超高功率密度將成為之后較長(cháng)一段時(shí)間內燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要目標。
推動(dòng)應用，描繪燃料電池路線(xiàn)圖
中國工程院院士、中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )理事長(cháng)李駿指出，中國燃料電池，尤其是氫能燃料電池技術(shù)較5年前有了長(cháng)足的進(jìn)步，燃料電池堆方面，電堆的單堆功率密度、最低冷啟動(dòng)溫度壽命以及最高效率等指標均有大幅改善，已建立起完備的燃料電池材料、部件、系統的制造與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。
焦魁團隊此次在國際頂尖刊物上強調了新一代燃料電池超高功率密度的目標，明確指出了各部件發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn)，及其對性能提升的貢獻比重。針對燃料電池中涉及的多尺度電化學(xué)、熱物理過(guò)程，結合能源材料領(lǐng)域最新成果，對質(zhì)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(xiàn)進(jìn)行了深入分析，并通過(guò)仿真計算給出了具體的技術(shù)指標。
據了解，焦魁團隊自主開(kāi)發(fā)的一整套仿真平臺已經(jīng)應用于濰柴動(dòng)力、捷氫科技、新源動(dòng)力、一汽集團、中汽數據有限公司、博世等10余家企業(yè)，推動(dòng)了氫燃料電池技術(shù)進(jìn)展。
以捷氫科技為例，捷氫科技推出了完全自主設計開(kāi)發(fā)的燃料電池PROME M3H電堆，曾經(jīng)的“卡脖子”技術(shù)——雙極板和膜電極也實(shí)現了國產(chǎn)化。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(jìn)水平，額定功率130千瓦，電堆功率密度達3.8千瓦/升，可在-30℃的極寒環(huán)境下無(wú)輔助加熱快速啟動(dòng)，電堆的最高工作溫度可達95℃，耐熱性能極佳。
“正是基于燃料電池仿真技術(shù)構建的正向開(kāi)發(fā)設計流程，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)在燃料電池工程開(kāi)發(fā)方面展開(kāi)了長(cháng)期的合作，而且未來(lái)會(huì )持續進(jìn)行深入合作。”
此外，新源動(dòng)力通過(guò)與天津大學(xué)合作開(kāi)展燃料電池水熱管理技術(shù)的研究，利用仿真技術(shù)為操作條件的篩選提供了有效的指導。公司成功自主研發(fā)大功率燃料電池，電堆功率密度也達到4.2千瓦/升，可在-40℃低溫下無(wú)輔助啟動(dòng)。
目前，新源動(dòng)力推出的車(chē)用燃料電池系統HYSYS-70、100和120系列產(chǎn)品都成功實(shí)現取消增濕器，減少了系統整體重量和體積，為功率密度的提升作出了可觀(guān)的貢獻。
劍指未來(lái)，燃料電池車(chē)將大展身手
從近20年來(lái)的發(fā)展歷程來(lái)看，新一代燃料電池設計有賴(lài)于相關(guān)能源材料的開(kāi)發(fā)與其內部過(guò)程的優(yōu)化，而挑戰則在于燃料電池內多尺度復雜結構與物理化學(xué)過(guò)程。
焦魁團隊的文章創(chuàng )新性地指出，雙極板和膜電極對未來(lái)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(shí)現目標。“一體化”和“有序化”是未來(lái)設計的兩個(gè)重要方向：一方面，雙極板進(jìn)一步減薄會(huì )極大增加流動(dòng)阻力，給反應氣體供給和冷卻液循環(huán)帶來(lái)困難，因此流場(chǎng)和電極的一體化設計是一種趨勢;另一方面，電極設計的有序化能夠更好地組織傳遞過(guò)程，并降低生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性，也是未來(lái)的發(fā)展方向。
焦魁認為，燃料電池發(fā)動(dòng)機的戰略意義在于其在氫能社會(huì )中扮演的重要角色，在于通過(guò)清潔能源的應用助力實(shí)現碳達峰、碳中和。
對燃料電池車(chē)產(chǎn)業(yè)而言，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將提升燃料電池車(chē)輸出功率、降低發(fā)動(dòng)機體積、降低催化劑成本、提升部件耐久性，對于燃料電池車(chē)續航里程增加、適用范圍擴大、車(chē)輛成本降低、壽命增加都有著(zhù)直接的促進(jìn)作用。對于整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)而言，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展為車(chē)用能源結構注入了新活力，與內燃機技術(shù)、鋰電池技術(shù)相結合，有望共同完善能源利用體系。
“未來(lái)，燃料電池堆的功率密度與壽命將進(jìn)一步提升，體積與成本進(jìn)一步下降，并逐步在能源領(lǐng)域大展身手。”焦魁展望說(shuō)，對汽車(chē)行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動(dòng)機在商用車(chē)領(lǐng)域將有更大的發(fā)揮空間，未來(lái)有望應用在更多的車(chē)型上;在乘用車(chē)方面，燃料電池車(chē)需要在成本上更具競爭力，研發(fā)新一代更為經(jīng)濟、適用性更強的車(chē)用電堆。
