突破關鍵核心技術的秘訣是什么？來新民認為，基礎研究的創(chuàng)新策源、與產業(yè)界合作的工程實踐，是高?？蒲谐晒Φ膬纱蠓▽?。
今天上午舉行的2019年度上海市科技獎勵大會上，“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”項目榮獲上海市技術發(fā)明獎特等獎。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權的金屬雙極板。
這種采用“兩板三場”結構設計的雙極板是國際首創(chuàng)，其性能指標達到國際先進水平。由國產雙極板串聯層疊組成的車用電堆，功率為115千瓦，處于國際“領跑”地位，實現了燃料電池汽車的全功率驅動。
“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耍虾＝淮髾C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產生電流，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，燃料電池汽車的商用進程較慢，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。根據我國政府規(guī)劃，到2030年，國內燃料電池汽車將達到百萬輛規(guī)模。根據上海市政府規(guī)劃，到2030年，上海燃料電池汽車全產業(yè)鏈年產值將突破3000億元，帶動全國燃料電池產品多元化應用。
如何實現我國氫能藍圖、打造上海產業(yè)高地？研發(fā)燃料電池的關鍵核心技術是必由之路。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。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，國內汽車企業(yè)就只能依賴進口。
創(chuàng)新策源實現“兩板三場”
突破關鍵核心技術的秘訣是什么？來新民認為，基礎研究的創(chuàng)新策源、與產業(yè)界合作的工程實踐，是高?？蒲谐晒Φ膬纱蠓▽殹?
日本、歐洲企業(yè)生產的金屬雙極板都采用“三板三場”結構設計，即用陽極板、隔板、陰極板將氫氣場、氧氣場、冷卻液流場隔開。能否簡化這種結構，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。”特等獎項目第六完成人、上海治臻總經理藍樹槐博士解釋說。
為實現“兩板三場”的構想，交大團隊開展了持續(xù)數年的基礎研究，提出“層越設計”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。經過三代12款雙極板研發(fā)，“兩板三場”結構不斷改進，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，功率密度超過3千瓦/升，達到國際領先水平。
材料方面，交大的技術路徑也與眾不同。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+復合涂層”方案。經過多年摸索，他們發(fā)明了鈦、鉻、氮、碳等多元復合涂層，層數有二三十層之多，每一層的工藝各不相同。由于十分致密，復合涂層的厚度在100納米以下，具有高耐蝕、高導電性能。經測試，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期的燃料電池技術攻關項目。2015年，國內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，這個產學研合作團隊已獲中國發(fā)明專利授權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)，推進產業(yè)化
交大團隊創(chuàng)辦企業(yè)，實現從科研到產業(yè)的轉化，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讓給企業(yè)，讓這些發(fā)明成果在產業(yè)化道路上發(fā)揮出更大的價值。
作為公司總經理，藍樹槐曾是交大教師。為了全身心投入產業(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。”
在上海市科委和臨港集團的持續(xù)支持下，上海治臻2017年建成了國內首條具有自主知識產權的燃料電池金屬雙極板生產線，設計年產能達到50萬片以上，成為國內最大的金屬雙極板供應商之一。沖壓、焊接、涂層、密封、檢驗……在公司生產車間，解放日報·上觀新聞記者觀看了整個生產流程，這些國產雙極板已應用于國內10家整車制造企業(yè)。預計明年6月，第二條年產數百萬片的生產線將建成，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?！拔易x研究生時，一直在研究金屬雙極板?！苯旌啦┦扛嬖V記者，“畢業(yè)后來治臻工作，讓我實現了從學習到工作的無縫對接，立馬就能學以致用?！睋私?，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用奠定基礎。
文章來源：上觀新聞 作者：俞陶然
