近日，天津大學焦魁教授帶領的電化學熱物理實驗室研究團隊在全球頂級刊物《自然》上發表了篇幅達9頁的展望文章，為新一代超高功率密度燃料電池發動機理論與設計指明了發展方向。
為了解決由化石燃料能源使用引起的全球能源消耗和環境污染日益增加的問題，全球可再生和環保能源解決方案持續增長。基於可再生能源的氫經濟——包括制氫、儲氫和將氫轉化為電能——被廣泛認為是有前景的未來能源的解決方案。
近年來，隨着燃料電池技術的快速發展，利用氫能的燃料電池發動機已經成為了交通領域中最有吸引力，也最有可能實現產業化、商業化的清潔能源動力裝置。目前，包括豐田、上汽在內的國際上各大車企已經推出了量產燃料電池汽車車型，整個產業正處於快速上升階段。
超高功率密度燃料電池膜電極新型結構的發展路線
作為氫能社會布局的重要一環，燃料電池裝置開發最為核心的問題就是其性能的提升。目前，許多國家和地區的相關機構均對燃料電池提出了明確的發展規劃，除我國政府支持的氫能相關項目外，美國、日本、歐盟都提出了氫能路線。依據上述計劃，在未來十年左右，燃料電池電堆功率密度計劃提升至6-9千瓦每升。目前，世界上較為先進的量產燃料電池車型（豐田MIRAI-2021）可實現電堆功率密度4.4千瓦每升，相較於五年前發佈的上代車型提升約40%。
值得一提的是，目前我國上汽捷氫、新源動力等企業自主開發的電堆功率密度也達到了世界先進水平。然而，這些國內外燃料電池發動機距離預期性能指標仍有較大差距。
說明：超高功率密度燃料電池極板設計發展歷程及趨勢預測
天津大學焦魁教授團隊此次展望在國際頂尖刊物上首次提出了新一代超高功率密度燃料電池目標，明確指出了各部件發展路線及其對性能提升的貢獻比重。團隊對新一代燃料電池發動機設計的展望基於天津大學燃料電池研究團隊強大的模型預測體系與豐富的產學研轉化經驗。該展望針對燃料電池中涉及的多尺度電化學、熱物理過程，結合能源材料領域最新成果，對質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等核心部件的發展路線進行了深入分析，並通過仿真計算給出了具體的技術指標。
從近二十年來的發展歷程來看，新一代燃料電池設計將十分依賴於相關能源材料的開發與其內部過程的優化，然而燃料電池內多尺度複雜結構與物理化學過程為此帶來了巨大挑戰。該篇展望文章創新性地指出，雙極板和膜電極對未來功率密度提升的貢獻度分別約為30%和70%，各部件需要協同優化才能實現目標。「一體化」和「有序化」是未來設計的兩個重要方向：一方面，雙極板進一步減薄會極大增加流動阻力，給反應氣體供給和冷卻液循環帶來困難，因此流場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程，並降低生產過程中的不確定性，也是未來的發展方向。
焦魁，天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室教授、博士生導師。主要從事能源利用和工程熱物理方面的研究工作。近年來主持相關項目30餘項，包括國家優秀青年基金、英國皇家學會牛頓高級學者基金、國家重點研發計劃課題等國家和省部級項目，以及上汽、一汽、濰柴、捷氫、博世、新源動力等企業委託研發項目，所開發的燃料電池仿真模型在多家企業得到成功應用。獲霍英東青年教師獎、吳仲華青年學者獎等榮譽。
文章共同第一作者包括天津大學焦魁教授、英國拉夫堡大學宣晉教授和天津大學杜青教授，共同通訊作者包括天津大學焦魁教授、上汽捷氫侯中軍博士和天津大學邁克爾蓋弗（Michael Guiver）教授，文章其他作者來自天津大學、英國帝國理工學院和上汽捷氫。
延伸閱讀：
天津大學電化學熱物理實驗室與燃料電池團隊於2010年前後創建，在內燃機燃燒學國家重點實驗室原有研究方向的基礎上開闢了一個全新的研究領域，在國家、學校和重點實驗室的政策支持下建立了一個具有國際水準的研究平台。團隊主要從事燃料電池技術方面的基礎及應用研究工作，包括燃料電池工作過程模擬仿真、燃料電池電堆及系統設計、燃料電池關鍵部件開發（雙極板、膜電極集成、膜材料和可靠性）、燃料電池能源管理與控制策略等。實驗室擁有強大的仿真計算能力和建模基礎，燃料電池裝配、診斷和表徵的實驗設備，與國內外知名燃料電池企業和科研機構建立了緊密的合作關係。
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內容來源：天津大學官網，電化學熱物理實驗室，儲能科學與技術
圖片來源：天津大學官網，電化學熱物理實驗室
