（一）技术原创性及重要性

1. 技术原创性

本专利技术立足国家能源产业转型升级需求，瞄准我国正大力发展的氢能及燃料电池技术，针对燃料电池亟需解决的热/流管理难题，以直接甲醇质子交换膜燃料电池为原型，提出基于切削金属纤维多孔介质的传热传质调控及燃料综合管理技术，首次将具有跨尺度形貌特征的多孔结构引入燃料电池，作为燃料输运装置、热量平衡装置、反应物回收装置的传质调控功能元件，实现材料-结构-功能一体化设计及制造，解决长期制约燃料电池产业发展的电池体积功率密度低、能量利用率低、性能衰减快和运行可靠性不足等问题。

传统燃料电池热/流管理的技术瓶颈：

(1) 传统开孔型流场内的流动阻力不一致，相邻流道存在较大压差，不可避免产生传质盲区，导致渗透率严重受限。传质不均或受阻都不利于强化内部反应，造成燃料电池输出性能下降。

(2) 常规燃料循环系统依赖更多外部辅助设备，无法实现燃料尾气的高效回收再利用，且会产生寄生功耗，导致系统物料利用率和能量转换效率降低。

(3) 采用单一的对流换热方式（液冷/风冷）对燃料电池进行热管理，不仅依赖外部的流体动力装置，且换热过程存在迟滞性，无法实现燃料电池温度的实时快速调控，导致燃料电池运行稳定性较差。

针对以上技术瓶颈问题，本发明主要原理性的创新有：

(1) 首创基于切削金属纤维多孔介质的传质调控技术。首创基于多齿切削和高温固相烧结技术的金属纤维多孔介质，并将其作为燃料输运装置的传质调控功能元件，其结构上表现为具有复杂跨尺度表面形貌及特殊孔径分布特征，可通过主动控制工艺参数调控多孔介质孔隙率、孔径、厚度、亲疏水性等结构与物性参数，满足复杂极端工况下燃料供给的严苛要求。

(2) 首创基于蒸汽冷凝相变及定向传输的燃料综合管理技术。具有复杂跨尺度表面形貌的金属纤维多孔介质为燃料冷凝相变提供有利场所，蛇形管路为燃料回收提供定向传输通道。通过在蛇形管路内填充不锈钢金属纤维，在管槽内构建有利于强化相变及对流的多孔微通道，利用双重换热实现燃料尾气冷凝回收再利用，有效提升系统物料利用率和能量转换效率。

(3) 首创基于相变传热元件（纤维烧结型热管）的电池温度均衡技术。利用纤维烧结型热管更优的热导性和等温性、更可控的热流密度和热流方向，实现电池温度的高效精准调控，保证燃料电池安全稳定运行。

2. 解决的核心问题

(1) 突破了复杂极端工况下燃料传输不均及传质受阻的技术瓶颈。本专利将具有复杂跨尺度表面形貌的多孔结构引入燃料电池流场，采用切削金属纤维作为燃料传输介质，实现材料-结构-功能的一体化设计及制造，消除传质盲区，降低燃料传输阻力，保证复杂极端工况下燃料有效供给。

(2) 解决了燃料利用率和能量转换效率低的技术难题。本专利提出基于蒸汽冷凝相变及定向传输的燃料综合管理技术，对尾气定向传输元件（蛇形管路）和冷凝传输层（金属纤维多孔介质）进行优化设计，两者高效协同作用，使得尾气在蛇形管槽内以相变及强制对流形式双重换热，实现燃料尾气冷凝回收再利用，有效提升系统能量转换效率。

(3) 解决了燃料电池温控系统复杂和换热迟滞的技术难题。传统的燃料电池温控系统主要依赖复杂的辅助设备（水泵、中冷器、节温器等），存在响应迟滞、调控精准度差等问题。本专利采用相变传热元件（纤维烧结型热管）直接将电池余热快速导出，简化热传递过程，减少对辅助设备的依赖，实现对电池温度的高效精准调控，保证燃料电池在复杂极端工况下安全稳定运行。

（二）技术优势

1. 技术优势

本专利技术的主要技术优势在于：

(1) 技术成果显著提高燃料电池电堆功率密度。得益于热/流管理的优化，电池输出性能得到显著提升。基于本专利技术开发的燃料电池电堆体积功率密度达到4.0kW/L，相比日本丰田Mirai、本田Clarity燃料电池汽车电堆功率密度提升29%（来源：日本丰田、本田官方参数），相比韩国现代NEXO燃料电池汽车电堆功率密度提升28.6%（来源：韩国现代官方参数）。

(2) 技术成果显著提高燃料电池的运行寿命。得益于燃料电池热/流管理系统的精准设计，降低了系统长周期运行的损耗，从根本上提升了燃料电池运行寿命。对比国外同类产品，开发的燃料电池系统稳定性及寿命得到有效提升，相比日本本田Clarity燃料电池汽车电堆运行寿命提升200%（来源：日本本田官方参数），相比巴拉德9SSL电堆提升25%（来源：加拿大巴拉德官方参数）。

(3) 技术成果显著降低燃料电池电堆测试设备功耗。基于本专利提出的高效传热传质调控及燃料综合管理技术，开发的150kW燃料电池电堆测试设备，与加拿大Green Light（绿光创新）、台湾Hephas（群翌）电堆测试设备相比，功耗更低、集成度更高，设备能效达到国际一流水平。

2. 技术实施效果的确定性

(1) 得到国内外权威机构及顶级刊物的正面引用和积极评价

以本专利为核心的系列关键技术先后获得包括国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划等在内的多项国家级、省部级项目支持（证明详见-附件四）。围绕关键核心技术，已发表SCI索引论文150余篇，入选ESI高被引论文3篇（证明详见-附件2.1），其中1篇被评为“2010年中国百篇最具影响国际学术论文”（证明详见-附件5.6）。论文总引用3500余次，被Nature、Nat. Commun.、Sci. Adv.等国际顶尖期刊，以及清华大学、香港科技大学、英国帝国理工学院、德国亥姆霍兹联合会等国内外权威科研机构正面引用。例如，英国RSC Fellow、美国ACS Poly fellow Michael D. Guiver教授在国际《自然》期刊（Nature 595 (2021) 361-369）论文中对本专利涉及的技术给予高度评价：“多孔金属纤维具有生产制造成本低，孔隙率、孔径、亲疏水性等结构与物性参数可高效调控等优点”（证明详见-附件2.2）。

(2) 得到本领域权威专家及官方媒体的高度评价和专题报道

本专利提出的金属纤维多孔介质被中国科学院院士、工程热物理学家陶文铨教授和郭烈锦教授评价为：“多孔结构具有的低密度、高比表面积和良好的渗透性，有利于强化微通道的传质/传热功能，在燃料电池领域有良好的应用前景”；面向燃料电池高效热/流管理研发的燃料供给技术被中国科学院院士、美国ASME Fellow、英国RSC Fellow赵天寿教授评价为：“该技术在抑制燃料电池甲醇穿透方面具有重要意义，对燃料电池热/流管理具有创新指导作用”。发明人基于专利核心技术撰写的“表面反应功能结构制造”章节入选《2018-2019机械工程学科发展报告（机械制造）》，属机械制造领域电池方向唯一代表性工作（证明详见-附件2.3）。此外，相关技术成果先后被《科学中国人》（2020年第10期）、《南方日报》（2022年4月30日A02版）、广东广播电视台（2018年4月5日）等多家官方媒体跟踪报道（证明详见-附件2.4）。

专利产品亮相2022世界新能源汽车大会，全国zhengxie主席、中国kexie主席、世界新能源汽车大会主席万钢莅临展区参观指导，对基于本专利技术研发的燃料电池电堆、燃料电池系统进行仔细询问，详细了解燃料电池发展进程及产品情况，高度肯定了发明人在燃料电池技术领域所取得的成绩和突破。

图1 全国zhengxie主席、中国kexie主席万钢对专利产品给予高度评价

本专利通过实施许可的方式在上海神力科技有限公司、海卓动力（青岛）能源科技有限公司等行业龙头企业得到大规模实施应用，专利技术已应用于下列产品的研发、生产全流程：

(1) 燃料电池电堆；

(2) 燃料电池系统；

(3) 燃料电池测试系统。

本专利提出的燃料电池热/流管理系统可以满足上述设备在复杂极端工况下对燃料供给的严苛要求，有效提升系统物料利用率和能量转换效率，实现电池温度的高效精准调控，保证燃料电池安全稳定运行，还可拓展应用到如下领域：

(1) 分布式燃料电池发电站；

(2) 固定式燃料电池发电站；

(3) 燃料电池热电联供系统。

图1 燃料电池系统、燃料电池测试系统产品图