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說(shuō)明：超高功率密度燃料電池膜電極新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展路線

試想，在五分鐘內(nèi)就能給一種新型電動(dòng)汽車(chē)充滿氫燃料，不需要為了充電而等上幾個(gè)小時(shí)，同時(shí)續(xù)航里程超過(guò)800公里，而這種汽車(chē)的排放卻只有純水，這聽(tīng)起來(lái)似乎不可思議。事實(shí)上，隨著近年來(lái)燃料電池技術(shù)的快速發(fā)展，這種設(shè)想已經(jīng)成為了可能。利用氫能的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為了交通領(lǐng)域中最有吸引力，也最有可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的清潔能源動(dòng)力裝置。目前，包括豐田、上汽在內(nèi)的國(guó)際上各大車(chē)企已經(jīng)推出了量產(chǎn)燃料電池汽車(chē)車(chē)型，整個(gè)產(chǎn)業(yè)正處于快速上升階段。

說(shuō)明：超高功率密度燃料電池極板設(shè)計(jì)發(fā)展歷程及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

作為氫能社會(huì)布局的重要一環(huán)，燃料電池裝置開(kāi)發(fā)最為核心的問(wèn)題就是其性能的提升。目前，許多國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)機(jī)構(gòu)均對(duì)燃料電池提出了明確的發(fā)展規(guī)劃，除我國(guó)政府支持的氫能相關(guān)項(xiàng)目外，美國(guó)、日本、歐盟都提出了氫能路線。依據(jù)上述計(jì)劃，在未來(lái)十年左右，燃料電池電堆功率密度計(jì)劃提升至6-9千瓦每升。目前，世界上較為先進(jìn)的量產(chǎn)燃料電池車(chē)型（豐田MIRAI-2021）可實(shí)現(xiàn)電堆功率密度4.4千瓦每升，相較于五年前發(fā)布的上代車(chē)型提升約40%。值得一提的是，目前我國(guó)上汽捷氫、新源動(dòng)力等企業(yè)自主開(kāi)發(fā)的電堆功率密度也達(dá)到了世界先進(jìn)水平。然而，這些國(guó)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。

天津大學(xué)焦魁教授團(tuán)隊(duì)此次展望在國(guó)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(biāo)，明確指出了各部件發(fā)展路線及其對(duì)性能提升的貢獻(xiàn)比重。團(tuán)隊(duì)對(duì)新一代燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的展望基于天津大學(xué)燃料電池研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大的模型預(yù)測(cè)體系與豐富的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)。該展望針對(duì)燃料電池中涉及的多尺度電化學(xué)、熱物理過(guò)程，結(jié)合能源材料領(lǐng)域最新成果，對(duì)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(guò)仿真計(jì)算給出了具體的技術(shù)指標(biāo)。

從近二十年來(lái)的發(fā)展歷程來(lái)看，新一代燃料電池設(shè)計(jì)將十分依賴于相關(guān)能源材料的開(kāi)發(fā)與其內(nèi)部過(guò)程的優(yōu)化，然而燃料電池內(nèi)多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)過(guò)程為此帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。該篇展望文章創(chuàng)新性地指出，雙極板和膜電極對(duì)未來(lái)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)?！耙惑w化”和“有序化”是未來(lái)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(lái)困難，因此流場(chǎng)和電極的一體化設(shè)計(jì)是一種趨勢(shì)；另一方面，電極設(shè)計(jì)的有序化能夠更好地組織傳遞過(guò)程，并降低生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性，也是未來(lái)的發(fā)展方向。

文章共同第一作者包括天津大學(xué)焦魁教授、英國(guó)拉夫堡大學(xué)宣晉教授和天津大學(xué)杜青教授，共同通訊作者包括天津大學(xué)焦魁教授、上汽捷氫侯中軍博士和天津大學(xué)邁克爾蓋弗（Michael Guiver）教授，文章其他作者來(lái)自天津大學(xué)、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和上汽捷氫。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03482-7