发展燃料电池，让未来出行更“氢而易举”
对于汽车产业而言，氢燃料电池发动机技术的发展为车用能源结构注入了新活力，与内燃机技术、锂电池技术相结合，有望共同完善能源利用体系。
◎本报记者 陈 曦 通讯员 刘晓艳
5分钟内就能给新型电动汽车充满氢燃料，不需要为充电而等上几个小时，同时电动汽车续航里程超过800公里，且汽车的排放物只有纯水，这听起来好像不可思议。但事实上，随着近年来燃料电池技术的快速发展，这种设想距离成为现实已越来越近。
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电化学能量转换装置，其中以氢气为燃料的氢燃料电池的唯一产物为水，是一种清洁高效的能源利用方式。
7月25日，科技日报记者获悉，天津大学机械工程学院教授焦魁带领的电化学热物理实验室研究团队，近日在《自然》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。
备受关注，但仍面临重要技术问题
“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。”焦魁介绍，世界各国先后颁布了燃料电池相关的发展计划及指标，并给予大量资助。目前，世界上较为先进的量产燃料电池车型（丰田MIRAI-2021）可实现燃料电池电堆功率密度4.4千瓦/升，相较于5年前发布的车型提升约40%。值得一提的是，目前我国上海捷氢科技有限公司（以下简称捷氢科技）、新源动力股份有限公司（以下简称新源动力）等企业自主开发的电堆功率密度也达到了世界先进水平。
在国家政策的大力扶持下，中国燃料电池产业百花齐放。
捷氢科技、新源动力、潍柴动力股份有限公司（以下简称潍柴动力）、中国第一汽车集团有限公司（以下简称中国一汽）、未势能源科技有限公司、上海治臻新能源装备有限公司、中自环保科技股份有限公司以及上海汽车集团股份有限公司等多家燃料电池相关的上下游企业和大型车企，已经具备燃料电池膜电极开发—极板设计—电堆设计—动力系统设计—整车生产的完整产业链，实现了一定的生产规模。
另外，近年来我国学者在燃料电池研发领域的成果也逐步与工程实际接轨，并转化为世界先进水平的燃料电池堆产品，如捷氢科技的PROME系列。相较于丰田、现代等燃料电池汽车龙头企业，我国本土车企在燃料电池堆技术层面也已经具有了相当的竞争力。
“虽然取得了一定的成果，但需要看到的是，国内外燃料电池发动机距离预期性能指标仍有较大差距。若需要实现全球大规模生产，燃料电池技术仍然面临几个重要的技术问题。”焦魁说，比如催化剂活性的进一步提升、质子膜通道设计、流场结构优化等，体现在宏观指标上就是性能、成本与寿命的综合问题。其中性能的提升在此三者中起着主导性作用，也是燃料电池未来发展的关键，故实现超高功率密度将成为之后较长一段时间内燃料电池技术发展的主要目标。
推动应用，描绘燃料电池路线图
中国工程院院士、中国汽车工程学会理事长李骏指出，中国燃料电池，尤其是氢能燃料电池技术较5年前有了长足的进步，燃料电池堆方面，电堆的单堆功率密度、最低冷启动温度寿命以及最高效率等指标均有大幅改善，已建立起完备的燃料电池材料、部件、系统的制造与生产产业链。
焦魁团队此次在国际顶尖刊物上强调了新一代燃料电池超高功率密度的目标，明确指出了各部件发展的技术路线，及其对性能提升的贡献比重。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。
据了解，焦魁团队自主开发的一整套仿真平台已经应用于潍柴动力、捷氢科技、新源动力、一汽集团、中汽数据有限公司、博世等10余家企业，推动了氢燃料电池技术进展。
以捷氢科技为例，捷氢科技推出了完全自主设计开发的燃料电池PROME M3H电堆，曾经的“卡脖子”技术——双极板和膜电极也实现了国产化。捷氢科技副总经理侯中军博士介绍，PROME M3H电堆各项指标均达到国际先进水平，额定功率130千瓦，电堆功率密度达3.8千瓦/升，可在-30℃的极寒环境下无辅助加热快速启动，电堆的最高工作温度可达95℃，耐热性能极佳。
“正是基于燃料电池仿真技术构建的正向开发设计流程，为我们的产品提供了坚实的技术保障。”侯中军表示，“我们与天津大学在燃料电池工程开发方面展开了长期的合作，而且未来会持续进行深入合作。”
此外，新源动力通过与天津大学合作开展燃料电池水热管理技术的研究，利用仿真技术为操作条件的筛选提供了有效的指导。公司成功自主研发大功率燃料电池，电堆功率密度也达到4.2千瓦/升，可在-40℃低温下无辅助启动。
目前，新源动力推出的车用燃料电池系统HYSYS-70、100和120系列产品都成功实现取消增湿器，减少了系统整体重量和体积，为功率密度的提升作出了可观的贡献。
剑指未来，燃料电池车将大展身手
从近20年来的发展历程来看，新一代燃料电池设计有赖于相关能源材料的开发与其内部过程的优化，而挑战则在于燃料电池内多尺度复杂结构与物理化学过程。
焦魁团队的文章创新性地指出，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。
焦魁认为，燃料电池发动机的战略意义在于其在氢能社会中扮演的重要角色，在于通过清洁能源的应用助力实现碳达峰、碳中和。
对燃料电池车产业而言，相关技术的发展将提升燃料电池车输出功率、降低发动机体积、降低催化剂成本、提升部件耐久性，对于燃料电池车续航里程增加、适用范围扩大、车辆成本降低、寿命增加都有着直接的促进作用。对于整个汽车产业而言，氢燃料电池发动机技术的发展为车用能源结构注入了新活力，与内燃机技术、锂电池技术相结合，有望共同完善能源利用体系。
“未来，燃料电池堆的功率密度与寿命将进一步提升，体积与成本进一步下降，并逐步在能源领域大展身手。”焦魁展望说，对汽车行业而言，燃料电池发动机在商用车领域将有更大的发挥空间，未来有望应用在更多的车型上；在乘用车方面，燃料电池车需要在成本上更具竞争力，研发新一代更为经济、适用性更强的车用电堆。