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攻克燃料电池汽车核心技术,交大耗时15年实现双极板产业化

文字:[大][中][小] 发布时间:2020-7-10  浏览次数:89

以氢气为能源的燃料电池汽车已进入商业化阶段,有望成为未来汽车的主力军。如何把这种新能源汽车的核心部件掌握在自己手里?荣获2019年度上海市技术发明奖特等奖的“高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术”项目,给国人带来了喜讯和启发。

双极板是燃料电池的核心部件之一,上海交通大学科研团队经过15年研发,与上汽集团、新源动力、上海治臻等企业合作研制出了具有自主知识产权的金属双极板。这种采用“两板三场”结构设计的双极板是国际首创,其性能指标达到国际先进水平。由国产双极板串联层叠组成的车用电堆,功率为115千瓦,处于国际“领跑”地位,实现了燃料电池汽车的全功率驱动。

“15年磨一剑”初心不改

“研发燃料电池的人要有情怀,在看不清市场前景的情况下,也不能放弃。”作为项目第一完成人,上海交大机械与动力工程学院来新民教授感慨道。燃料电池以氢气、空气中的氧气等为原料,在催化剂作用下通过化学反应产生电流,排放的是水,不会造成空气污染。业界普遍认为,加注氢气的燃料电池汽车是汽车未来发展的一种“终极形态”。与纯电动汽车相比,燃料电池汽车的加注时间很短,续航里程更长,环保性能更优。然而在各种新能源汽车中,燃料电池汽车的商业化进程较慢,市场前景长期以来不太明晰。

早在2005年,来新民就开始带领团队研发燃料电池双极板。在“15年磨一剑”历程中,他们遇到过很多技术挑战,也一度因看不清燃料电池汽车的发展前景而感到困惑,但他们选择了坚持,始终没有改变研究方向。

从2017年起,中国、日本、韩国、欧盟和美国相继发布了氢能发展规划。根据我国政府规划,到2030年,国内燃料电池汽车将达到百万辆规模。根据上海市政府规划,到2025年,上海要形成系列化燃料电池电堆产品,燃料电池汽车技术同步国际水平,全产业链年产值破1000亿元,建成加氢站50座,乘用车不少于2万辆、其他特种车辆不少于1万辆,在公交、商用大巴、物流车等前期试点基础上扩大示范规模;到2030年,上海燃料电池汽车技术和制造总体上要达到国外同等水平,全产业链年产值突破3000亿元,带动全国燃料电池应用产品多元化应用。

如何实现我国氢能蓝图、打造上海产业高地?研发燃料电池的关键核心技术是必由之路。作为核心部件,双极板占电堆体积的80%,承载着氢气场、氧气场、冷却液流场“三场”的传输和导电功能。在厚度仅为1毫米左右的金属双极板上,分布着密密麻麻的流道,精度达到微米级,氢气、氧气、冷却液就在这些流道里传输,发生奇妙的电化学反应。近年来,日本、欧洲企业研制出钛合金双极板,取代了传统的石墨双极板。如果中国企业无法制造这种部件,国内汽车企业就只能依赖进口。

创新策源实现“两板三场”

突破关键核心技术的秘诀是什么?来新民认为,基础研究的创新策源、与产业界合作的工程实践,是高校科研成功的两大法宝。

日本、欧洲企业生产的金属双极板都采用“三板三场”结构设计,即用阳极板、隔板、阴极板将氢气场、氧气场、冷却液流场隔开。能否简化这种结构,去掉隔板,改为“两板三场”?在研发早期阶段,交大团队提出了这一原创构想。“三块板的用料比较多,不仅增加了成本,而且分量也重,这样就会影响燃料电池的功率密度。”特等奖项目第六完成人、上海治臻总经理蓝树槐博士解释说。

为实现“两板三场”的构想,交大团队开展了持续数年的基础研究,提出“层越设计”等多个原创性理论,让氢气、氧气等气体从进口公用管道进入分配区后,能自行翻过流场,从而省去中间的隔板。经过三代12款双极板研发,“两板三场”结构不断改进,已得到充分的工程验证。目前,沪研双极板的厚度在1毫米以内,功率密度超过3千瓦/升,达到国际领先水平。

材料方面,交大的技术路径也与众不同。日本、欧洲企业用钛合金取代传统的石墨,而我国缺钛,所以交大团队制定了“不锈钢+复合涂层”方案。经过多年摸索,他们发明了钛、铬、氮、碳等多元复合涂层,层数有二三十层之多,每一层的工艺各不相同。由于十分致密,复合涂层的厚度在100纳米以下,具有高耐蚀、高导电性能。经测试,其接触电阻和腐蚀电流显著优于国外先进涂层,还通过了车用5000小时寿命考核。

在原创性研究的基础上,交大团队从2009年起与上汽集团、新源动力合作,实施了连续5期的燃料电池技术攻关项目。2015年,国内第一辆采用金属双极板的燃料电池轿车在上汽问世。迄今为止,这个产学研合作团队已获中国发明专利授权37件,申请PCT(专利合作条约)专利5件,编制国家标准13项。

教师辞职创业,推进产业化

交大团队创办企业,实现从科研到产业的转化,也是他们成功的一个原因。2016年3月,上海治臻新能源装备有限公司在临港成立,成为国内第一家专注于金属双极板研发与制造的企业。这家企业的天使投资来自上汽创投,交大将10件双极板核心专利转让给企业,让这些发明成果在产业化道路上发挥出更大的价值。

上海治臻由上海交通大学科研团队发起建立,是国内领先的燃料电池金属双极板供应商,公司拥有完全自主知识产权,专注于低成本、高性能的燃料电池金属极板产业化,开发了燃料电池金属极板流场设计、精密成形、高速焊接、高性能涂层等先进技术。公司拥有多项专利技术和国内一流水平的研发团队,并打造了完整的燃料电池金属极板生产线。

作为公司总经理,蓝树槐曾是交大教师。为了全身心投入产业化工作,他没有选择停薪留职,而是辞去了交大工作。“办企业和做科研是两回事。”谈及自己的辞职创业,蓝树槐说,“如果我上午在交大上课,下午去公司办公,这种状态是不可持续的。”

在上海市科委和临港集团的持续支持下,上海治臻2017年建成了国内首条具有自主知识产权的燃料电池金属双极板生产线,设计年产能达到50万片以上,成为国内最大的金属双极板供应商之一。冲压、焊接、涂层、密封、检验……在公司生产车间,解放日报·上观新闻记者观看了整个生产流程,这些国产双极板已应用于国内10家整车制造企业。预计2021年6月,第二条年产数百万片的生产线将建成,满足日益增长的燃料电池市场需求。

上海治臻成立后,交大团队培养的研究生也有了好去处。目前,公司有毕业于交大的4名博士和2名硕士。“我读研究生时,一直在研究金属双极板。”姜天豪博士告诉记者,“毕业后来治臻工作,让我实现了从学习到工作的无缝对接,立马就能学以致用。”据了解,公司将继续招聘来自各地高校的博士和硕士,扩充高水平研发队伍,为进一步提升金属双极板性能和开拓市场应用奠定基础。

栏目主编:黄海华

文字编辑:俞陶然

题图来源:王美杰 绘制

文中长图:王美杰 绘文中照片:赖鑫琳 摄

来源:上观新闻