天津大學焦魁教授團隊，問鼎Nature！

　　2021年7月14日晚間，天津大學焦魁教授帶領的電化學熱物理實驗室研究團隊在《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。

　　試想，在五分鐘內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小時，同時續航里程超過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。事實上，隨著近年來燃料電池技術的快速發展，這種設想已經成為了可能。利用氫能的燃料電池發動機已經成為了交通領域中最有吸引力，也最有可能實現產業化、商業化的清潔能源動力裝置。目前，包括豐田、上汽在內的國際上各大車企已經推出了量產燃料電池汽車車型，整個產業正處于快速上升階段。

　　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。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，美國、日本、歐盟都提出了氫能路線。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6-9千瓦每升。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4.4千瓦每升，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，這些國內外燃料電池發動機距離預期性能指標仍有較大差距。

　　天津大學焦魁教授團隊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，明確指出了各部件發展路線及其對性能提升的貢獻比重。團隊對新一代燃料電池發動機設計的展望基于天津大學燃料電池研究團隊強大的模型預測體系與豐富的產學研轉化經驗。該展望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。

圖 | 超高功率密度燃料電池膜電極新型結構的發展路線

　　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。該篇展望文章創新性地指出，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。

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