新型电动汽车可以在 5 分钟内加满氢燃料，而无需等待数小时充电。同时，电动车续航里程超过800公里，车辆只排放纯净水，听起来不可思议。但事实上，随着近年来燃料电池技术的飞速发展，这一愿景正越来越接近成为现实。

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电化学能量转换装置。以氢为燃料的氢燃料电池的唯一产物是水，这是一种清洁高效的能源利用方式。

7月25日获悉，由天津大学机械工程学院焦魁教授领衔的电化学热物理实验室研究团队近日在Nature上发表了一篇9页的展望文章，新一代超高功率密度燃料电池发动机的理论与设计指明了发展方向。

备受关注，但仍面临重要技术问题

“作为氢能社会布局的重要组成部分，燃料电池装置发展核心的问题就是性能的提升。”焦魁介绍，世界各国相继出台了燃料电池相关发展规划和指标，并提供了大量资金。目前，世界上更先进的量产燃料电池车型（Toyota MIRAI-2021）可以实现4.4kW/L的燃料电池电堆功率密度，比五年前发布的车型提高了约40%。值得一提的是，我国上海捷氢科技有限公司（以下简称捷氢科技）和新源动力股份有限公司（以下简称新源动力）自主研发的电堆功率密度也达到了世界先进水平。 .

在国家政策的大力支持下，我国燃料电池产业蓬勃发展。

捷氢科技、新源动力、潍柴动力股份有限公司（以下简称潍柴动力）、中国第一汽车集团有限公司（以下简称中国一汽）、未势能源科技有限公司、上海治臻新能源装备有限公司 公司、中自环保科技股份有限公司、上海汽车集团股份有限公司等多家燃料电池相关上下游企业和大型车企均有已具备燃料电池膜电极开发-极板设计-电堆设计-动力系统设计——整车生产的完整产业链，已实现一定的生产规模。

此外近年来，中国学者在燃料电池研发领域的成果也逐渐与工程实践接轨，转化为世界一流的燃料电池电堆产品，如PROME系列（捷氢科技）。与丰田、现代等领先的燃料电池汽车企业相比，我国本土汽车企业在燃料电池电堆技术方面也具有相当的竞争力。

“虽然取得了一定的成果，但需要注意的是，国内外燃料电池发动机的预期性能指标仍有较大差距。如果需要全球量产，燃料电池技术仍面临几项重要技术”焦魁说，如催化剂活性的进一步提高、质子膜通道的设计、流场结构的优化等，宏观指标体现的是性能、成本和寿命的综合问题。其中，性能的提升在这三者中起主导作用，也是燃料电池未来发展的关键。因此，在很长一段时间内，实现超高功率密度将成为燃料电池技术发展的主要目标。

推广应用并描述燃料电池路线图

中国工程院院士、中国汽车工程学会理事长李骏指出，与五年前相比，中国的燃料电池技术有了长足的进步。在燃料电池电堆方面，单堆功率密度和启动温度寿命、最高效率等最低冷态指标得到大幅提升，形成了完整的燃料电池材料、组件和系统制造生产链。

焦魁团队此次在国际顶级刊物上强调了新一代燃料电池超高功率密度的目标，并明确指出了各部件发展的技术路线及其对性能的贡献比例改进。针对燃料电池涉及的多尺度电化学和热物理过程，结合能源材料领域的最新成果，质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等核心部件的发展路线已进行了深入分析，并进行了模拟计算，给出了具体的技术指标。

据了解，焦魁团队自主研发的一套仿真平台已应用于潍柴动力、捷氢科技、新源动力、一汽集团、中汽数据、博世等10多家企业，推动氢燃料电池技术进步。

以捷氢科技为例。捷氢科技推出了完全自主设计研发的燃料电池PROME M3H电堆。以前的“卡脖子”技术——双极板和膜电极也已经国产。据捷氢科技副总经理侯中军博士介绍，PROME M3H电堆各项指标均达到国际先进水平，额定功率130千瓦，电堆功率密度3.8千瓦/升，可使用在 -30°C 的极冷环境中无需帮助加热启动快，电堆最高工作温度可达95℃，耐热性极佳。

“正是基于燃料电池仿真技术的超前开发设计过程，为我们的产品提供了坚实的技术保障。”侯中军表示，“我们与天津大学就燃料电池工程开发开展了长期合作，未来将继续深入合作。”

此外，新源动力与天津大学合作开展燃料电池水热管理技术研究，利用仿真技术为工况选择提供有效指导。公司自主研发成功大功率燃料电池，电堆功率密度达到4.2kW/L，可在-40℃低温下无辅助启动。

目前，新源动力推出的HYSYS-70、100和120系列车用燃料电池系统已成功取消加湿器，降低系统整体重量和体积，为功率密度的提升做出了不小的贡献。

剑指未来，燃料电池汽车大显身手

从近 20 年的发展历程来看，新一代燃料电池的设计依赖于相关能源材料的开发及其内部工艺的优化，而挑战在于多尺度复杂结构和燃料电池中的物理化学过程。

焦魁团队的文章创新地指出，双极板和膜电极对未来功率密度提升的贡献分别约为30%和70%，需要共同优化组件才能实现目标。“一体化”和“有序化”是未来设计的两个重要方向：一方面，双极板的进一步减薄会大大增加流动阻力，给反应气体的供应和冷却液的循环带来困难，所以流场和电极的一体化设计是一种趋势；另一方面，电极的有序设计可以更好地组织交付过程，减少生产过程中的不确定性，这也是未来的发展方向。

焦魁认为，燃料电池发动机的战略意义在于其在氢能社会中的重要作用，即通过清洁能源的应用，帮助实现碳达峰和碳中和。

对于燃料电池汽车行业而言，相关技术的发展将提高燃料电池汽车的输出功率，减小发动机体积，降低催化剂成本，提高部件耐用性。对于燃料电池汽车来说，续航里程会增加，应用范围会扩大，汽车成本会降低，燃料电池汽车的寿命会增加。这种增加具有直接的刺激作用。对于整个汽车行业来说，氢燃料电池发动机技术的发展为汽车能源结构注入了新的活力。结合内燃机技术和锂电池技术，有望共同完善能源利用体系。

“未来，燃料电池电堆的功率密度和寿命将进一步提升，体积和成本将进一步降低，在能源领域将逐步大显身手。”焦魁表示，对于汽车行业而言，燃料电池发动机将应用于商用车领域。有更大的发展空间，未来有望应用到更多车型上；在乘用车方面，燃料电池汽车需要更具成本竞争力，开发新一代更经济、更适用的汽车电堆。