以氫氣為能源的燃料電池汽車已進入商業(yè)化階段，有望成為未來汽車的主力軍。如何把這種新能源汽車的核心部件掌握在自己手里？榮獲2019年度上海市技術(shù)發(fā)明獎特等獎的“高功率密度燃料電池薄型金屬雙極板及批量化精密制造技術(shù)”項目，給國人帶來了喜訊和啟發(fā)。

雙極板是燃料電池的核心部件之一，上海交通大學科研團隊經(jīng)過15年研發(fā)，與上汽集團、新源動力、上海治臻等企業(yè)合作研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的金屬雙極板。這種采用“兩板三場”結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙極板是國際首創(chuàng)，其性能指標達到國際先進水平。由國產(chǎn)雙極板串聯(lián)層疊組成的車用電堆，功率為115千瓦，處于國際“領(lǐng)跑”地位，實現(xiàn)了燃料電池汽車的全功率驅(qū)動。

“15年磨一劍”初心不改

“研發(fā)燃料電池的人要有情懷，在看不清市場前景的情況下，也不能放棄?！弊鳛轫椖康谝煌瓿扇?，上海交大機械與動力工程學院來新民教授感慨道。燃料電池以氫氣、空氣中的氧氣等為原料，在催化劑作用下通過化學反應(yīng)產(chǎn)生電流，排放的是水，不會造成空氣污染。業(yè)界普遍認為，加注氫氣的燃料電池汽車是汽車未來發(fā)展的一種“終極形態(tài)”。與純電動汽車相比，燃料電池汽車的加注時間很短，續(xù)航里程更長，環(huán)保性能更優(yōu)。然而在各種新能源汽車中，燃料電池汽車的商業(yè)化進程較慢，市場前景長期以來不太明晰。

早在2005年，來新民就開始帶領(lǐng)團隊研發(fā)燃料電池雙極板。在“15年磨一劍”歷程中，他們遇到過很多技術(shù)挑戰(zhàn)，也一度因看不清燃料電池汽車的發(fā)展前景而感到困惑，但他們選擇了堅持，始終沒有改變研究方向。

從2017年起，中國、日本、韓國、歐盟和美國相繼發(fā)布了氫能發(fā)展規(guī)劃。根據(jù)我國政府規(guī)劃，到2030年，國內(nèi)燃料電池汽車將達到百萬輛規(guī)模。根據(jù)上海市政府規(guī)劃，到2025年，上海要形成系列化燃料電池電堆產(chǎn)品，燃料電池汽車技術(shù)同步國際水平，全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值破1000億元，建成加氫站50座，乘用車不少于2萬輛、其他特種車輛不少于1萬輛，在公交、商用大巴、物流車等前期試點基礎(chǔ)上擴大示范規(guī)模；到2030年，上海燃料電池汽車技術(shù)和制造總體上要達到國外同等水平，全產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值突破3000億元，帶動全國燃料電池應(yīng)用產(chǎn)品多元化應(yīng)用。

如何實現(xiàn)我國氫能藍圖、打造上海產(chǎn)業(yè)高地？研發(fā)燃料電池的關(guān)鍵核心技術(shù)是必由之路。作為核心部件，雙極板占電堆體積的80%，承載著氫氣場、氧氣場、冷卻液流場“三場”的傳輸和導(dǎo)電功能。在厚度僅為1毫米左右的金屬雙極板上，分布著密密麻麻的流道，精度達到微米級，氫氣、氧氣、冷卻液就在這些流道里傳輸，發(fā)生奇妙的電化學反應(yīng)。近年來，日本、歐洲企業(yè)研制出鈦合金雙極板，取代了傳統(tǒng)的石墨雙極板。如果中國企業(yè)無法制造這種部件，國內(nèi)汽車企業(yè)就只能依賴進口。

創(chuàng)新策源實現(xiàn)“兩板三場”

突破關(guān)鍵核心技術(shù)的秘訣是什么？來新民認為，基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新策源、與產(chǎn)業(yè)界合作的工程實踐，是高校科研成功的兩大法寶。

日本、歐洲企業(yè)生產(chǎn)的金屬雙極板都采用“三板三場”結(jié)構(gòu)設(shè)計，即用陽極板、隔板、陰極板將氫氣場、氧氣場、冷卻液流場隔開。能否簡化這種結(jié)構(gòu)，去掉隔板，改為“兩板三場”？在研發(fā)早期階段，交大團隊提出了這一原創(chuàng)構(gòu)想?！叭龎K板的用料比較多，不僅增加了成本，而且分量也重，這樣就會影響燃料電池的功率密度?！碧氐泉勴椖康诹瓿扇?、上海治臻總經(jīng)理藍樹槐博士解釋說。

為實現(xiàn)“兩板三場”的構(gòu)想，交大團隊開展了持續(xù)數(shù)年的基礎(chǔ)研究，提出“層越設(shè)計”等多個原創(chuàng)性理論，讓氫氣、氧氣等氣體從進口公用管道進入分配區(qū)后，能自行翻過流場，從而省去中間的隔板。經(jīng)過三代12款雙極板研發(fā)，“兩板三場”結(jié)構(gòu)不斷改進，已得到充分的工程驗證。目前，滬研雙極板的厚度在1毫米以內(nèi)，功率密度超過3千瓦/升，達到國際領(lǐng)先水平。

材料方面，交大的技術(shù)路徑也與眾不同。日本、歐洲企業(yè)用鈦合金取代傳統(tǒng)的石墨，而我國缺鈦，所以交大團隊制定了“不銹鋼+復(fù)合涂層”方案。經(jīng)過多年摸索，他們發(fā)明了鈦、鉻、氮、碳等多元復(fù)合涂層，層數(shù)有二三十層之多，每一層的工藝各不相同。由于十分致密，復(fù)合涂層的厚度在100納米以下，具有高耐蝕、高導(dǎo)電性能。經(jīng)測試，其接觸電阻和腐蝕電流顯著優(yōu)于國外先進涂層，還通過了車用5000小時壽命考核。

在原創(chuàng)性研究的基礎(chǔ)上，交大團隊從2009年起與上汽集團、新源動力合作，實施了連續(xù)5期的燃料電池技術(shù)攻關(guān)項目。2015年，國內(nèi)第一輛采用金屬雙極板的燃料電池轎車在上汽問世。迄今為止，這個產(chǎn)學研合作團隊已獲中國發(fā)明專利授權(quán)37件，申請PCT（專利合作條約）專利5件，編制國家標準13項。

教師辭職創(chuàng)業(yè)，推進產(chǎn)業(yè)化

交大團隊創(chuàng)辦企業(yè)，實現(xiàn)從科研到產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)化，也是他們成功的一個原因。2016年3月，上海治臻新能源裝備有限公司在臨港成立，成為國內(nèi)第一家專注于金屬雙極板研發(fā)與制造的企業(yè)。這家企業(yè)的天使投資來自上汽創(chuàng)投，交大將10件雙極板核心專利轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，讓這些發(fā)明成果在產(chǎn)業(yè)化道路上發(fā)揮出更大的價值。

上海治臻由上海交通大學科研團隊發(fā)起建立，是國內(nèi)領(lǐng)先的燃料電池金屬雙極板供應(yīng)商，公司擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，專注于低成本、高性能的燃料電池金屬極板產(chǎn)業(yè)化，開發(fā)了燃料電池金屬極板流場設(shè)計、精密成形、高速焊接、高性能涂層等先進技術(shù)。公司擁有多項專利技術(shù)和國內(nèi)一流水平的研發(fā)團隊，并打造了完整的燃料電池金屬極板生產(chǎn)線。

作為公司總經(jīng)理，藍樹槐曾是交大教師。為了全身心投入產(chǎn)業(yè)化工作，他沒有選擇停薪留職，而是辭去了交大工作。“辦企業(yè)和做科研是兩回事?！闭劶白约旱霓o職創(chuàng)業(yè)，藍樹槐說，“如果我上午在交大上課，下午去公司辦公，這種狀態(tài)是不可持續(xù)的?！?/span>

在上海市科委和臨港集團的持續(xù)支持下，上海治臻2017年建成了國內(nèi)首條具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池金屬雙極板生產(chǎn)線，設(shè)計年產(chǎn)能達到50萬片以上，成為國內(nèi)最大的金屬雙極板供應(yīng)商之一。沖壓、焊接、涂層、密封、檢驗……在公司生產(chǎn)車間，解放日報·上觀新聞記者觀看了整個生產(chǎn)流程，這些國產(chǎn)雙極板已應(yīng)用于國內(nèi)10家整車制造企業(yè)。預(yù)計2021年6月，第二條年產(chǎn)數(shù)百萬片的生產(chǎn)線將建成，滿足日益增長的燃料電池市場需求。

上海治臻成立后，交大團隊培養(yǎng)的研究生也有了好去處。目前，公司有畢業(yè)于交大的4名博士和2名碩士。“我讀研究生時，一直在研究金屬雙極板。”姜天豪博士告訴記者，“畢業(yè)后來治臻工作，讓我實現(xiàn)了從學習到工作的無縫對接，立馬就能學以致用。”據(jù)了解，公司將繼續(xù)招聘來自各地高校的博士和碩士，擴充高水平研發(fā)隊伍，為進一步提升金屬雙極板性能和開拓市場應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

欄目主編：黃海華

文字編輯：俞陶然

題圖來源：王美杰 繪制

文中長圖：王美杰 繪文中照片：賴鑫琳 攝

來源：上觀新聞