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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2030年,上海燃料电池汽车全产业链年产值将突破3000亿元,带动全国燃料电池产品多元化应用。
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。
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。预计明年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。
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