在国家自然科学基金项目（批准号：51622606、51861130359）等资助下，天津大学焦魁团队在对燃料电池长期深入研究的基础上对下一代燃料电池的发展趋势做出了展望。该成果以“下一代超高功率密度燃料电池设计（Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells）”为题，于2021年7月14日发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-021-03482-7。
随着燃料电池技术近年来的快速发展，氢能逐渐成为未来清洁、可再生能源的一个重要选择。在氢能高效利用面临的诸多挑战中，燃料电池性能提升是最为核心的问题之一。目前，许多国家和地区的相关机构均对燃料电池提出了明确的发展规划，除我国政府支持的氢能相关项目外，还包括美国能源部、日本新能源产业技术开发局、欧盟氢能与燃料电池联合发展中心等提出的氢能路线。依据上述计划，在未来十年左右，燃料电池电堆功率密度计划提升至6~9 kW L-1。目前，世界上较为先进的量产燃料电池车型（丰田MIRAI-2021）可实现电堆功率密度4.4 kW L-1，相较于五年前发布的上代车型提升约40%。值得一提的是，目前我国上汽捷氢、新源动力等企业自主开发的电堆功率密度也达到了世界先进水平。然而，上述这些燃料电池发动机距离理想性能指标仍有较大差距。
从近二十年来的发展历程来看，新一代燃料电池设计将十分依赖于相关能源材料的开发与其内部过程的优化，然而燃料电池内多尺度复杂结构与物理化学过程为此带来了巨大挑战。文章基于该研究团队建立的模型预测体系和产学研转化经验指出，双极板和膜电极对未来功率密度提升的贡献度分别约为30%和70%，各部件需要协同优化才能实现目标。即：“一体化”和“有序化”是未来设计的两个重要方向：一方面，双极板进一步减薄会极大增加流动阻力，给反应气体供给和冷却液循环带来困难，因此，流场和电极的一体化设计是一种趋势（图1a）；另一方面，电极设计的有序化能够更好的组织传递过程，并降低生产过程中的不确定性，也是未来的一个发展方向（图1b, c）。
该文为下一代燃料电池的气体扩散层、催化层、质子膜及双极板的研究与开发指明了路线，同时为实现超高功率密度目标提供了“一体化”与“有序化”两个重要思路。
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