1.5.1 高功率密度

功率密度是指燃料電池功率與體積或質量的比值，目前已成為評價質子交換膜燃料電池（堆）性能的一個重要性能指標。功率密度的提升不僅意味著燃料電池整體性能的提升，也意味著使用成本的降低，這是由于對于同樣的應用場景來說，功率需求基本是固定的，功率密度的提升意味著需要的燃料電池數量也更少，從而成本也將進一步降低。近十年來，質子交換膜燃料電池功率密度一直在不斷上升，但距離滿足最終商業化應用的需求仍有較大差距。以車用燃料電池堆為例，目前體積功率密度水平大致在3.5～4.4kW/L之間，在1.6A/cm2電流密度下的輸出電壓大致在0.65V[7]。但是，日本新能源產業的技術綜合開發機構（The New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO）預計2030年燃料電池電堆功率密度需達到6.0kW/L，其中典型工況點為3.0A/cm2電流密度下的輸出電壓達到0.7V，2040年前需達到9.0kW/L，典型工況點為4.4A/cm2電流密度下的輸出電壓達到0.85V[4]。歐盟燃料電池與氫能聯盟（Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking，FCH 2JU）也提出了2024年前，功率密度達到9.3kW/L的目標。為實現下一代高功率密度燃料電池堆開發，除更新材料體系提升電池部件性能（如提升催化劑性能、改進催化層制備工藝、提高膜質子電導率）外，燃料電池內部“氣-水-熱-電”等多物理場傳熱傳質過程有效管理與調控也需相應加速。這就需要對質子交換膜燃料電池工作過程中的多尺度多相傳熱傳質與電化學反應耦合機理有更加深入的理解，從而對氫燃料電池結構設計提出優化設計方案。