1.5.1 高功率密度

功率密度是指燃料电池功率与体积或质量的比值，目前已成为评价质子交换膜燃料电池（堆）性能的一个重要性能指标。功率密度的提升不仅意味着燃料电池整体性能的提升，也意味着使用成本的降低，这是由于对于同样的应用场景来说，功率需求基本是固定的，功率密度的提升意味着需要的燃料电池数量也更少，从而成本也将进一步降低。近十年来，质子交换膜燃料电池功率密度一直在不断上升，但距离满足最终商业化应用的需求仍有较大差距。以车用燃料电池堆为例，目前体积功率密度水平大致在3.5～4.4kW/L之间，在1.6A/cm2电流密度下的输出电压大致在0.65V[7]。但是，日本新能源产业的技术综合开发机构（The New Energy and Industrial Technology Development Organization，NEDO）预计2030年燃料电池电堆功率密度需达到6.0kW/L，其中典型工况点为3.0A/cm2电流密度下的输出电压达到0.7V，2040年前需达到9.0kW/L，典型工况点为4.4A/cm2电流密度下的输出电压达到0.85V[4]。欧盟燃料电池与氢能联盟（Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking，FCH 2JU）也提出了2024年前，功率密度达到9.3kW/L的目标。为实现下一代高功率密度燃料电池堆开发，除更新材料体系提升电池部件性能（如提升催化剂性能、改进催化层制备工艺、提高膜质子电导率）外，燃料电池内部“气-水-热-电”等多物理场传热传质过程有效管理与调控也需相应加速。这就需要对质子交换膜燃料电池工作过程中的多尺度多相传热传质与电化学反应耦合机理有更加深入的理解，从而对氢燃料电池结构设计提出优化设计方案。