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，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)熱物理實驗室研究團隊，近日在《自然》發(fā)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(fā)動機理論與設(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一環(huán)，燃料電池裝置開發(fā)最為核心的問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(biāo)，并給予大量資助。目前，世界上較為先進的量產(chǎn)燃料電池車型(豐田MIRAI-2021)可實現(xiàn)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(以下簡稱捷氫科技)、新源動力股份有限公司(以下簡稱新源動力)等企業(yè)自主開發(fā)的電堆功率密度也達到了世界先進水平。
在國家政策的大力扶持下，中國燃料電池產(chǎn)業(yè)百花齊放。
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、中自環(huán)?？萍脊煞萦邢薰疽约吧虾Ｆ嚰瘓F股份有限公司等多家燃料電池相關(guān)的上下游企業(yè)和大型車企，已經(jīng)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，實現(xiàn)了一定的生產(chǎn)規(guī)模。
另外，近年來我國學(xué)者在燃料電池研發(fā)領(lǐng)域的成果也逐步與工程實際接軌，并轉(zhuǎn)化為世界先進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(xiàn)代等燃料電池汽車龍頭企業(yè)，我國本土車企在燃料電池堆技術(shù)層面也已經(jīng)具有了相當(dāng)?shù)母偁幜Α?/p>
“雖然取得了一定的成果，但需要看到的是，國內(nèi)外燃料電池發(fā)動機距離預(yù)期性能指標(biāo)仍有較大差距。若需要實現(xiàn)全球大規(guī)模生產(chǎn)，燃料電池技術(shù)仍然面臨幾個重要的技術(shù)問題。”焦魁說，比如催化劑活性的進一步提升、質(zhì)子膜通道設(shè)計、流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，體現(xiàn)在宏觀指標(biāo)上就是性能、成本與壽命的綜合問題。其中性能的提升在此三者中起著主導(dǎo)性作用，也是燃料電池未來發(fā)展的關(guān)鍵，故實現(xiàn)超高功率密度將成為之后較長一段時間內(nèi)燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。
推動應(yīng)用，描繪燃料電池路線圖
中國工程院院士、中國汽車工程學(xué)會理事長李駿指出，中國燃料電池，尤其是氫能燃料電池技術(shù)較5年前有了長足的進步，燃料電池堆方面，電堆的單堆功率密度、最低冷啟動溫度壽命以及最高效率等指標(biāo)均有大幅改善，已建立起完備的燃料電池材料、部件、系統(tǒng)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(diào)了新一代燃料電池超高功率密度的目標(biāo)，明確指出了各部件發(fā)展的技術(shù)路線，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)、熱物理過程，結(jié)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)展路線進行了深入分析，并通過仿真計算給出了具體的技術(shù)指標(biāo)。
據(jù)了解，焦魁團隊自主開發(fā)的一整套仿真平臺已經(jīng)應(yīng)用于濰柴動力、捷氫科技、新源動力、一汽集團、中汽數(shù)據(jù)有限公司、博世等10余家企業(yè)，推動了氫燃料電池技術(shù)進展。
以捷氫科技為例，捷氫科技推出了完全自主設(shè)計開發(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現(xiàn)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(biāo)均達到國際先進水平，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)境下無輔助加熱快速啟動，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(gòu)建的正向開發(fā)設(shè)計流程，為我們的產(chǎn)品提供了堅實的技術(shù)保障。”侯中軍表示，“我們與天津大學(xué)在燃料電池工程開發(fā)方面展開了長期的合作，而且未來會持續(xù)進行深入合作。”
此外，新源動力通過與天津大學(xué)合作開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(dǎo)。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℃低溫下無輔助啟動。
目前，新源動力推出的車用燃料電池系統(tǒng)HYSYS-70、100和120系列產(chǎn)品都成功實現(xiàn)取消增濕器，減少了系統(tǒng)整體重量和體積，為功率密度的提升作出了可觀的貢獻。
劍指未來，燃料電池車將大展身手
從近20年來的發(fā)展歷程來看，新一代燃料電池設(shè)計有賴于相關(guān)能源材料的開發(fā)與其內(nèi)部過程的優(yōu)化，而挑戰(zhàn)則在于燃料電池內(nèi)多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)過程。
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，雙極板進一步減薄會極大增加流動阻力，給反應(yīng)氣體供給和冷卻液循環(huán)帶來困難，因此流場和電極的一體化設(shè)計是一種趨勢;另一方面，電極設(shè)計的有序化能夠更好地組織傳遞過程，并降低生產(chǎn)過程中的不確定性，也是未來的發(fā)展方向。
焦魁認(rèn)為，燃料電池發(fā)動機的戰(zhàn)略意義在于其在氫能社會中扮演的重要角色，在于通過清潔能源的應(yīng)用助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和。
對燃料電池車產(chǎn)業(yè)而言，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將提升燃料電池車輸出功率、降低發(fā)動機體積、降低催化劑成本、提升部件耐久性，對于燃料電池車?yán)m(xù)航里程增加、適用范圍擴大、車輛成本降低、壽命增加都有著直接的促進作用。對于整個汽車產(chǎn)業(yè)而言，氫燃料電池發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展為車用能源結(jié)構(gòu)注入了新活力，與內(nèi)燃機技術(shù)、鋰電池技術(shù)相結(jié)合，有望共同完善能源利用體系。
“未來，燃料電池堆的功率密度與壽命將進一步提升，體積與成本進一步下降，并逐步在能源領(lǐng)域大展身手。”焦魁展望說，對汽車行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動機在商用車領(lǐng)域?qū)⒂懈蟮陌l(fā)揮空間，未來有望應(yīng)用在更多的車型上;在乘用車方面，燃料電池車需要在成本上更具競爭力，研發(fā)新一代更為經(jīng)濟、適用性更強的車用電堆。
