燃料电池有了智能设计师 焦魁团队取得燃料电池设计理论方法新进展

日前，天津大学焦魁教授团队通过高精度数学建模，提出了全新燃料电池数字化设计方法。该方法可快速提出、优化燃料电池设计方案，提升电池性能，缩短研发周期并降低成本。

相关论文已在国际权威期刊《能源与环境科学》发表，论文共同第一作者是天津大学博士研究生霍文明和助理研究员樊林浩；共同通讯作者是天津大学焦魁教授、北京亿华通科技股份有限公司副总经理李飞强博士、法国贝尔福-蒙贝利亚技术大学Fei Gao教授。天津大学机械工程学院（先进内燃动力全国重点实验室）为本文第一单位，研究得到国家自然科学基金项目和吉林省长春市重大科技专项支持。

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种重要发电技术，其洁净、高效、无污染的特点越来越引起世人关注。尤其氢燃料电池，因其零污染、高效率的特质，已开始逐渐应用于公共交通、商用车辆、船舶等场景。但受制于成本，相关产业链尚未大展拳脚。

“合理的燃料电池结构设计应该做到促进内部气体传输、热量耗散以及液态水排出，从而提升电池性能。”据焦魁教授介绍，目前，相关厂商既缺少商用燃料电池的高效高精度仿真模型与数字化辅助设计手段，又缺乏创新性的电池设计方案，这对燃料电池功率密度提升与成本控制造成了阻碍。“研究燃料电池内部机理并优化设计，对推动其商业化进程非常重要。”

焦魁教授团队在燃料电池设计理论与方法领域建立了高精度仿真模型，并对电池结构进行优化。团队提出了一种适用于商用燃料电池的设计方法，建立了大尺寸燃料电池三维加一维仿真模型，其计算效率较传统三维模型提升10—20倍，可以快速提出多种电池设计方案并缩短研发周期。使用这种新方法，团队开展了严谨的验证：选取五个对电池性能有关键影响的工况参数并在七个电流密度下展开细致验证。验证结果表明，所有的仿真趋势与实验趋势都高度一致，证明了模型在性能与机理层面所具备的高精度预测能力。这种设计方法还能优化燃料电池的分配区结构，让电池性能获得显著提升。“以氢燃料电池为例，亿华通使用这种新方法设计的燃料电池在电化学反应的一致性和流阻分配的一致性等指标较目前市场主流产品能够提升20%以上，而厂商设计制造的成本则可降低至目前的60%，研发周期可以缩短至原来的1/3。”本文的共同通讯作者北京亿华通科技股份有限公司副总经理李飞强博士表示。

据了解，焦魁团队提出的数字化辅助设计方法具备通用性，能够应用于任意商用燃料电池，可有效缩减电池研发时间并降低成本，推动其商业化进程。此外，该方法还可拓展至其他诸多电化学装置领域，如锂电池、电解池等。