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說明：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汽車充滿氫燃料，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800公里，而這種汽車的排放卻只有純水，這聽起來似乎不可思議。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)想已經(jīng)成為了可能。利用氫能的燃料電池發(fā)動機(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)化的清潔能源動力裝置。目前，包括豐田、上汽在內(nèi)的國際上各大車企已經(jīng)推出了量產(chǎn)燃料電池汽車車型，整個(gè)產(chǎn)業(yè)正處于快速上升階段。

說明：超高功率密度燃料電池極板設(shè)計(jì)發(fā)展歷程及趨勢預(yù)測

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。目前，許多國家和地區(qū)的相關(guān)機(jī)構(gòu)均對燃料電池提出了明確的發(fā)展規(guī)劃，除我國政府支持的氫能相關(guān)項(xiàng)目外，美國、日本、歐盟都提出了氫能路線。依據(jù)上述計(jì)劃，在未來十年左右，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(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。然而，這些國內(nèi)外燃料電池發(fā)動機(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)展路線及其對性能提升的貢獻(xiàn)比重。團(tuán)隊(duì)對新一代燃料電池發(fā)動機(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)測體系與豐富的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)。該展望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)。

從近二十年來的發(fā)展歷程來看，新一代燃料電池設(shè)計(jì)將十分依賴于相關(guān)能源材料的開發(fā)與其內(nèi)部過程的優(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)過程為此帶來了巨大挑戰(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)?！耙惑w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(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。

文章共同第一作者包括天津大學(xué)焦魁教授、英國拉夫堡大學(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，文章其他作者來自天津大學(xué)、英國帝國理工學(xué)院和上汽捷氫。

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