去年上半年，第十七届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛圆满落幕，来自上海交通大学的项目团队凭借作品《双向水气畅流的高效一体式可逆燃料电池》获得特等奖。近日，团队登上团中央青年发展部特推出“榜YOUNG说”专栏，介绍他们的科创实践经验，讲述他们的青春奋斗故事。
一、团队心得
问：在选题阶段，团队的选择此参赛题目的背景和初衷是什么？
答：能源问题是21世纪的重要问题，随着“3060”双碳目标的提出，其重要性更加突出。发展氢能被认为是解决上述问题的重要途径。一体式可逆燃料电池作为氢能利用领域的一个新颖概念备受关注，其将氢燃料电池和电解池一体化，正向耗氢发电，反向电解产氢，具有高能量密度、长续航时间等巨大优势，在无人作战系统、航空航天、电网调峰等领域有广阔应用前景。但是现有的一体式可逆燃料电池受到效率较低的限制，无法进行大规模的生产应用，这埋没了一体式可逆燃料电池的“才华”。我们团队希望可以通过技术创新，对一体式可逆燃料电池的结构设计进行优化，提升一体式可逆燃料电池的效率，加速其研究发展和投入实际应用的进程，在未来的能源设备领域产生具有划时代意义的影响。
问：在备赛过程中主要遇到哪些困难，是如何克服的？
答：“挑战杯”三个字意味着比赛的过程注定不是一帆风顺的，面临诸多的挑战。在一次实验中，由于电流过大烧坏了无人车的底盘。当时团队成员都指望买一辆新的无人车，但是周期也会比较久，指导老师邱殿凯教导大家，“科研就是会遇到意料之外的问题，遇到问题先看看有没有办法解决，不行动就永远无法解决问题。”老师一句话点醒了已经接近放弃的同学们，项目组花了一个多月的时间，先是“拆”，把底盘翻了个底朝天；然后是“排”，寻着一根根导线摸着一个个设备排查问题；最后是“问”，咨询卖家、校赛车队、生产厂家，终于找到了问题所在，最终让小车重新发动起来。一年以来，类似的故事还有很多，团队成员接触了很多从未接触过的事情，也完成了以前认为不可能的任务，那段辛苦的经历也成为大家共同的幸福回忆。
回首一个又一个难忘的瞬间，我们深深地意识到，是学校与学院的大力支持，指导教师邱殿凯和彭林法老师不辞辛劳、循序渐进、授之以渔的引导，是团队成员不怕苦难、勇攀高峰的决心，助力我们披荆斩棘、不断前进。
问：现在团队作品已经取得了第十七届“挑战杯”竞赛佳绩，有哪些经验和感受想跟大家分享？
答：首先，良好的团队分工可以极大提高工作效率。庞杂的工作自己一个人做是低效甚至无效的，有时需要一个人整整五天做的事情，借助团队的力量分工协作，只需要一天便能高质量完成。团队成员做好分工，齐头并进，才能事半功倍。
其次，在进行科学研究和科技创新的过程中，需要清醒地认识到解决难题是一个循序渐进的过程，我们不能因为困难便畏缩不前，而要冷静分析，迎难而上。邱殿凯老师是我们的项目指导教师，10年前作为参赛学生获得了“挑战杯”全国特等奖，他常常对我们说：“你们现在认为做得事情非常难，可能这应该就是科技创新的过程。将问题拆解，全力投入，化繁为简，很多问题迎刃而解。”备战“挑战杯”的过程，正是把看似庞杂的工作一步步理清做好的过程，也是对一个个难题进行拆解分析并逐个击破的过程，更可能是将绝望慢慢转变为希望的奇妙过程。塔勒布说：“你要成为火，渴望得到风的吹拂。”当困难的狂风来临，请珍视这难得的机会，借着风势把希望这把火烧旺。
最后，我们想说，“挑战杯”是自我成长的绝佳平台，我们在这里拼搏、蜕变、收获，做成了我们人生前二十年从来没敢想过的事情，个人从思维上、科研能力上都得到了极大的成长。欢迎大家一起加入这趟充满艰险、充满挑战却又充满乐趣的旅程，你一定不虚此行。
项目团队成员合照
二、项目介绍
一体式可逆燃料电池是一种新型能源装置，将燃料电池和电解池一体化为一个电池，正向耗氢发电，反向电解产氢，能够循环利用氢气，具有高能量密度、长续航时间、强静默能力等核心优势，在无人作战系统、航空航天、电网调峰等领域有广阔应用前景。
一体式可逆燃料电池工作原理
当前一体式可逆燃料电池的重要部件无法同时满足通排气与亲疏水的相反要求，难以兼顾发电和电解两种相反工作模式，核心原因在于电池内水气传输不畅。本项目创新设计“双场错排”的极板新构型、“亲疏分区”的扩散层新结构和“分级调控”的吹扫新策略，构建了水和气的独立传输通道，同时实现了发电和电解模式下的水气畅流，大幅提升了一体式可逆燃料电池的双向效率。
针对传统单场极板流道中水气混流易阻塞导致效率低的问题，本项目创新性地将水气双场布置在极板正反两面，通过微流道设计贯通两面，实现了水气各行其道，独立流通，解决了堵塞问题。
针对传统均一疏水特性的扩散层不利于电解排水导致效率低的问题，本项目利用完成亲水区域与疏水区域交替的扩散层结构设计，保证了水气在扩散层中分离传输。结合极板与扩散层，使得水气在两种运行模式下都能在电池内通畅流通，提高了电池效率。
由于在电解后需要将电池内的水排出才能通入气体进行发电，针对传统定速吹扫策略的吹扫强度难以控制，强度太大或太小易造成电池部件损伤或切换效率低下的问题，本项目引入了高频阻抗值表征电池内水含量，并以此控制吹扫强度逐级变化，最终减少了60%的吹扫时间。
基于以上三点创新，本项目搭建了一体式可逆燃料电池，经过测试，其发电和电解效率均得到了大幅提升，处于国际领先行列。在此基础上，本项目搭建了以一体式可逆燃料电池为核心的无人车动力系统，实现发电和电解两种模式的稳定运行与切换。经实验验证，无人车续航时间大幅提升。
一体式可逆燃料电池无人车
通过对一体式可逆燃料电池的结构创新和系统控制进行创新，本项目大幅提升了电池双向运行效率，研发了电池动力系统，增强了电池在未来无人作战平台、航空航天能源设备、电网调峰等领域的应用能力。
来源：创青春
值班编辑：万军
责任编辑：江倩倩、傅瑀何