5分鐘內(nèi)就能給新型電動(dòng)汽車充滿氫燃料，不需要為充電而等上幾個(gè)小時(shí)，同時(shí)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程超過800公里，且汽車的排放物只有純水，這聽起來好像不可思議。但事實(shí)上，隨著近年來燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，這種設(shè)想距離成為現(xiàn)實(shí)已越來越近。
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，科技日報(bào)記者獲悉，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授焦魁帶領(lǐng)的電化學(xué)熱物理實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)，近日在《自然》發(fā)表了篇幅達(dá)9頁的展望文章，為新一代超高功率密度燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)理論與設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)劃及指標(biāo)，并給予大量資助。目前，世界上較為先進(jìn)的量產(chǎn)燃料電池車型(豐田MIRAI-2021)可實(shí)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(dòng)力股份有限公司(以下簡稱新源動(dòng)力)等企業(yè)自主開發(fā)的電堆功率密度也達(dá)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(以下簡稱濰柴動(dòng)力)、中國第一汽車集團(tuán)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(tuán)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(jì)—電堆設(shè)計(jì)—動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)—整車生產(chǎn)的完整產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)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(shí)際接軌，并轉(zhuǎn)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(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(dòng)機(jī)距離預(yù)期性能指標(biāo)仍有較大差距。若需要實(shí)現(xiàn)全球大規(guī)模生產(chǎn)，燃料電池技術(shù)仍然面臨幾個(gè)重要的技術(shù)問題。”焦魁說，比如催化劑活性的進(jìn)一步提升、質(zhì)子膜通道設(shè)計(jì)、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(shí)現(xiàn)超高功率密度將成為之后較長一段時(shí)間內(nèi)燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)。
推動(dòng)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(huì)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(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(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(tuán)隊(duì)此次在國際頂尖刊物上強(qiáng)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(xiàn)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(kuò)散層、雙極板等核心部件的發(fā)展路線進(jìn)行了深入分析，并通過仿真計(jì)算給出了具體的技術(shù)指標(biāo)。
據(jù)了解，焦魁團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的一整套仿真平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于濰柴動(dòng)力、捷氫科技、新源動(dòng)力、一汽集團(tuán)、中汽數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)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(shí)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(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國際先進(jìn)水平，額定功率130千瓦，電堆功率密度達(dá)3.8千瓦/升，可在-30℃的極寒環(huán)境下無輔助加熱快速啟動(dòng)，電堆的最高工作溫度可達(dá)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(jì)流程，為我們的產(chǎn)品提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。”侯中軍表示，“我們與天津大學(xué)在燃料電池工程開發(fā)方面展開了長期的合作，而且未來會(huì)持續(xù)進(jìn)行深入合作。”
此外，新源動(dòng)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(dá)到4.2千瓦/升，可在-40℃低溫下無輔助啟動(dòng)。
目前，新源動(dòng)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(shí)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(xiàn)。
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(jì)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(tuán)隊(duì)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(xiàn)度分別約為30%和70%，各部件需要協(xié)同優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。“一體化”和“有序化”是未來設(shè)計(jì)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(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(jì)是一種趨勢;另一方面，電極設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的戰(zhàn)略意義在于其在氫能社會(huì)中扮演的重要角色，在于通過清潔能源的應(yīng)用助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(dòng)機(jī)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(kuò)大、車輛成本降低、壽命增加都有著直接的促進(jìn)作用。對于整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)而言，氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(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，對汽車行業(yè)而言，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)、適用性更強(qiáng)的車用電堆。(陳曦 劉曉艷)
