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發展燃料電池,讓未來出行更“氫而易舉”

發布時間:2021-07-28 14:32:09 
5分鐘內就能給新型電動汽車充滿氫燃料,不需要為充電而等上幾個小時,同時電動汽車續航里程超過800公里,且汽車的排放物只有純水,這聽起來好像不可思議。但事實上,隨著近年來燃料電池技術的快速發展,這種設想距離成為現實已越來越近。

燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的電化學能量轉換裝置,其中以氫氣為燃料的氫燃料電池的唯一產物為水,是一種清潔高效的能源利用方式。

7月25日,記者獲悉,天津大學機械工程學院教授焦魁帶領的電化學熱物理實驗室研究團隊,近日在《自然》發表了篇幅達9頁的展望文章,為新一代超高功率密度燃料電池發動機理論與設計指明了發展方向。

備受關注,但仍面臨重要技術問題

“作為氫能社會布局的重要一環,燃料電池裝置開發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的發展計劃及指標,并給予大量資助。目前,世界上較為先進的量產燃料電池車型(豐田MIRAI-2021)可實現燃料電池電堆功率密度4.4千瓦/升,相較于5年前發布的車型提升約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)、新源動力股份有限公司(以下簡稱新源動力)等企業自主開發的電堆功率密度也達到了世界先進水平。

在國家政策的大力扶持下,中國燃料電池產業百花齊放。

捷氫科技、新源動力、濰柴動力股份有限公司(以下簡稱濰柴動力)、中國第一汽車集團有限公司(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、中自環保科技股份有限公司以及上海汽車集團股份有限公司等多家燃料電池相關的上下游企業和大型車企,已經具備燃料電池膜電極開發—極板設計—電堆設計—動力系統設計—整車生產的完整產業鏈,實現了一定的生產規模。

另外,近年來我國學者在燃料電池研發領域的成果也逐步與工程實際接軌,并轉化為世界先進水平的燃料電池堆產品,如捷氫科技的PROME系列。相較于豐田、現代等燃料電池汽車龍頭企業,我國本土車企在燃料電池堆技術層面也已經具有了相當的競爭力。

“雖然取得了一定的成果,但需要看到的是,國內外燃料電池發動機距離預期性能指標仍有較大差距。若需要實現全球大規模生產,燃料電池技術仍然面臨幾個重要的技術問題。”焦魁說,比如催化劑活性的進一步提升、質子膜通道設計、流場結構優化等,體現在宏觀指標上就是性能、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性作用,也是燃料電池未來發展的關鍵,故實現超高功率密度將成為之后較長一段時間內燃料電池技術發展的主要目標。

推動應用,描繪燃料電池路線圖

中國工程院院士、中國汽車工程學會理事長李駿指出,中國燃料電池,尤其是氫能燃料電池技術較5年前有了長足的進步,燃料電池堆方面,電堆的單堆功率密度、最低冷啟動溫度壽命以及最高效率等指標均有大幅改善,已建立起完備的燃料電池材料、部件、系統的制造與生產產業鏈。

焦魁團隊此次在國際頂尖刊物上強調了新一代燃料電池超高功率密度的目標,明確指出了各部件發展的技術路線,及其對性能提升的貢獻比重。針對燃料電池中涉及的多尺度電化學、熱物理過程,結合能源材料領域最新成果,對質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等核心部件的發展路線進行了深入分析,并通過仿真計算給出了具體的技術指標。

據了解,焦魁團隊自主開發的一整套仿真平臺已經應用于濰柴動力、捷氫科技、新源動力、一汽集團、中汽數據有限公司、博世等10余家企業,推動了氫燃料電池技術進展。

以捷氫科技為例,捷氫科技推出了完全自主設計開發的燃料電池PROME M3H電堆,曾經的“卡脖子”技術——雙極板和膜電極也實現了國產化。捷氫科技副總經理侯中軍博士介紹,PROME M3H電堆各項指標均達到國際先進水平,額定功率130千瓦,電堆功率密度達3.8千瓦/升,可在-30℃的極寒環境下無輔助加熱快速啟動,電堆的最高工作溫度可達95℃,耐熱性能極佳。

“正是基于燃料電池仿真技術構建的正向開發設計流程,為我們的產品提供了堅實的技術保障。”侯中軍表示,“我們與天津大學在燃料電池工程開發方面展開了長期的合作,而且未來會持續進行深入合作。”

此外,新源動力通過與天津大學合作開展燃料電池水熱管理技術的研究,利用仿真技術為操作條件的篩選提供了有效的指導。公司成功自主研發大功率燃料電池,電堆功率密度也達到4.2千瓦/升,可在-40℃低溫下無輔助啟動。

目前,新源動力推出的車用燃料電池系統HYSYS-70、100和120系列產品都成功實現取消增濕器,減少了系統整體重量和體積,為功率密度的提升作出了可觀的貢獻。

劍指未來,燃料電池車將大展身手

從近20年來的發展歷程來看,新一代燃料電池設計有賴于相關能源材料的開發與其內部過程的優化,而挑戰則在于燃料電池內多尺度復雜結構與物理化學過程。

焦魁團隊的文章創新性地指出,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。“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;另一方面,電極設計的有序化能夠更好地組織傳遞過程,并降低生產過程中的不確定性,也是未來的發展方向。

焦魁認為,燃料電池發動機的戰略意義在于其在氫能社會中扮演的重要角色,在于通過清潔能源的應用助力實現碳達峰、碳中和。

對燃料電池車產業而言,相關技術的發展將提升燃料電池車輸出功率、降低發動機體積、降低催化劑成本、提升部件耐久性,對于燃料電池車續航里程增加、適用范圍擴大、車輛成本降低、壽命增加都有著直接的促進作用。對于整個汽車產業而言,氫燃料電池發動機技術的發展為車用能源結構注入了新活力,與內燃機技術、鋰電池技術相結合,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一步提升,體積與成本進一步下降,并逐步在能源領域大展身手。”焦魁展望說,對汽車行業而言,燃料電池發動機在商用車領域將有更大的發揮空間,未來有望應用在更多的車型上;在乘用車方面,燃料電池車需要在成本上更具競爭力,研發新一代更為經濟、適用性更強的車用電堆。

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