近日，天津大学焦魁教授带领的电化学热物理实验室研究团队在全球顶级刊物《自然》上发表了篇幅达9页的展望文章，为新一代超高功率密度燃料电池发动机理论与设计指明了发展方向。
为了解决由化石燃料能源使用引起的全球能源消耗和环境污染日益增加的问题，全球可再生和环保能源解决方案持续增长。基于可再生能源的氢经济——包括制氢、储氢和将氢转化为电能——被广泛认为是有前景的未来能源的解决方案。
近年来，随着燃料电池技术的快速发展，利用氢能的燃料电池发动机已经成为了交通领域中最有吸引力，也最有可能实现产业化、商业化的清洁能源动力装置。目前，包括丰田、上汽在内的国际上各大车企已经推出了量产燃料电池汽车车型，整个产业正处于快速上升阶段。
超高功率密度燃料电池膜电极新型结构的发展路线
作为氢能社会布局的重要一环，燃料电池装置开发最为核心的问题就是其性能的提升。目前，许多国家和地区的相关机构均对燃料电池提出了明确的发展规划，除我国政府支持的氢能相关项目外，美国、日本、欧盟都提出了氢能路线。依据上述计划，在未来十年左右，燃料电池电堆功率密度计划提升至6-9千瓦每升。目前，世界上较为先进的量产燃料电池车型（丰田MIRAI-2021）可实现电堆功率密度4.4千瓦每升，相较于五年前发布的上代车型提升约40%。
值得一提的是，目前我国上汽捷氢、新源动力等企业自主开发的电堆功率密度也达到了世界先进水平。然而，这些国内外燃料电池发动机距离预期性能指标仍有较大差距。
说明：超高功率密度燃料电池极板设计发展历程及趋势预测
天津大学焦魁教授团队此次展望在国际顶尖刊物上首次提出了新一代超高功率密度燃料电池目标，明确指出了各部件发展路线及其对性能提升的贡献比重。团队对新一代燃料电池发动机设计的展望基于天津大学燃料电池研究团队强大的模型预测体系与丰富的产学研转化经验。该展望针对燃料电池中涉及的多尺度电化学、热物理过程，结合能源材料领域最新成果，对质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等核心部件的发展路线进行了深入分析，并通过仿真计算给出了具体的技术指标。
从近二十年来的发展历程来看，新一代燃料电池设计将十分依赖于相关能源材料的开发与其内部过程的优化，然而燃料电池内多尺度复杂结构与物理化学过程为此带来了巨大挑战。该篇展望文章创新性地指出，双极板和膜电极对未来功率密度提升的贡献度分别约为30%和70%，各部件需要协同优化才能实现目标。“一体化”和“有序化”是未来设计的两个重要方向：一方面，双极板进一步减薄会极大增加流动阻力，给反应气体供给和冷却液循环带来困难，因此流场和电极的一体化设计是一种趋势；另一方面，电极设计的有序化能够更好地组织传递过程，并降低生产过程中的不确定性，也是未来的发展方向。
焦魁，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博士生导师。主要从事能源利用和工程热物理方面的研究工作。近年来主持相关项目30余项，包括国家优秀青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、国家重点研发计划课题等国家和省部级项目，以及上汽、一汽、潍柴、捷氢、博世、新源动力等企业委托研发项目，所开发的燃料电池仿真模型在多家企业得到成功应用。获霍英东青年教师奖、吴仲华青年学者奖等荣誉。
文章共同第一作者包括天津大学焦魁教授、英国拉夫堡大学宣晋教授和天津大学杜青教授，共同通讯作者包括天津大学焦魁教授、上汽捷氢侯中军博士和天津大学迈克尔盖弗（Michael Guiver）教授，文章其他作者来自天津大学、英国帝国理工学院和上汽捷氢。
延伸阅读：
天津大学电化学热物理实验室与燃料电池团队于2010年前后创建，在内燃机燃烧学国家重点实验室原有研究方向的基础上开辟了一个全新的研究领域，在国家、学校和重点实验室的政策支持下建立了一个具有国际水准的研究平台。团队主要从事燃料电池技术方面的基础及应用研究工作，包括燃料电池工作过程模拟仿真、燃料电池电堆及系统设计、燃料电池关键部件开发（双极板、膜电极集成、膜材料和可靠性）、燃料电池能源管理与控制策略等。实验室拥有强大的仿真计算能力和建模基础，燃料电池装配、诊断和表征的实验设备，与国内外知名燃料电池企业和科研机构建立了紧密的合作关系。
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内容来源：天津大学官网，电化学热物理实验室，储能科学与技术
图片来源：天津大学官网，电化学热物理实验室
