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        我國學者提出下一代超高功率密度燃料電池技術路線

        日期 2021-09-28   來源:工程與材料科學部   作者:關永剛 史翊翔  【 】   【打印】   【關閉

        圖1 燃料電池(流場、電極)新型結構和材料

          在國家自然科學基金項目(批準號:51622606、51861130359)等資助下,天津大學焦魁團隊在對燃料電池長期深入研究的基礎上對下一代燃料電池的發展趨勢做出了展望。該成果以“下一代超高功率密度燃料電池設計(Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells)”為題,于2021年7月14日發表在《自然》(Nature)雜志上。論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41586-021-03482-7。

          隨著燃料電池技術近年來的快速發展,氫能逐漸成為未來清潔、可再生能源的一個重要選擇。在氫能高效利用面臨的諸多挑戰中,燃料電池性能提升是最為核心的問題之一。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,還包括美國能源部、日本新能源產業技術開發局、歐盟氫能與燃料電池聯合發展中心等提出的氫能路線。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 kW L-1。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 kW L-1,相較于五年前發布的上代車型提升約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,上述這些燃料電池發動機距離理想性能指標仍有較大差距。

          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于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復雜結構與物理化學過程為此帶來了巨大挑戰。文章基于該研究團隊建立的模型預測體系和產學研轉化經驗指出,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。即:“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(圖1a);另一方面,電極設計的有序化能夠更好的組織傳遞過程,并降低生產過程中的不確定性,也是未來的一個發展方向(圖1b, c)。

          該文為下一代燃料電池的氣體擴散層、催化層、質子膜及雙極板的研究與開發指明了路線,同時為實現超高功率密度目標提供了“一體化”與“有序化”兩個重要思路。




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