財(cái)政部等五部門(mén)近日發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》，通過(guò)“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式，對(duì)入圍示范的城市群按照目標(biāo)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。我國(guó)燃料電池汽車(chē)及氫能產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了加速發(fā)展的風(fēng)口期。

獎(jiǎng)勵(lì)政策出臺(tái)后沒(méi)幾天，上海氫晨新能源科技有限公司就發(fā)布了車(chē)規(guī)級(jí)H2150F質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。這款電堆的峰值功率達(dá)到150千瓦，功率密度為3.5千瓦/升，通過(guò)全部車(chē)用設(shè)計(jì)驗(yàn)證。“2014年，豐田推出Mirai時(shí)，國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)級(jí)燃料電池和日本的差距很大。”上海氫晨總經(jīng)理、上海交通大學(xué)副教授易培云說(shuō)，“而現(xiàn)在，我們自主研發(fā)的電堆已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”

為何能實(shí)現(xiàn)和國(guó)際“并跑”?記者采訪了解到，上海交大團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)研究取得“從0到1”的原始創(chuàng)新突破，上海市智能制造研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)推動(dòng)“從1到10”的科技成果轉(zhuǎn)化，從而保證了氫晨、治臻、唐鋒三家“交大系”企業(yè)掌握燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)、進(jìn)入“從10到100”發(fā)展壯大階段。

拿出“中國(guó)方案”

燃料電池以氫氣和空氣中的氧氣為原料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將氫氣中的能量轉(zhuǎn)換成電能，唯一產(chǎn)物是水，不會(huì)造成空氣污染。業(yè)界認(rèn)為，加注氫氣的燃料電池汽車(chē)是汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的一種“終極形態(tài)”，不過(guò)與純電動(dòng)汽車(chē)相比，這種新能源汽車(chē)的商業(yè)化進(jìn)程比較慢。當(dāng)前，燃料電池汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)方向是中遠(yuǎn)途、中重型商用車(chē)，因?yàn)樗鼈兗幼錃獾臅r(shí)間比純電動(dòng)汽車(chē)充電短得多，續(xù)航里程更長(zhǎng)，適合卡車(chē)、客車(chē)等商用車(chē)，從而大幅減少交通污染。

15年前，盡管燃料電池的產(chǎn)業(yè)價(jià)值還不明朗，上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院薄板結(jié)構(gòu)制造研究所就開(kāi)始了雙極板研發(fā)。這是燃料電池的一個(gè)核心部件，占電堆體積的80%，承載著氫氣場(chǎng)、氧氣場(chǎng)、冷卻液流場(chǎng)“三場(chǎng)”的傳輸和導(dǎo)電功能。近年來(lái)，日本、歐洲企業(yè)研制出了鈦合金雙極板，如果中國(guó)企業(yè)無(wú)法制造這種部件，就只能依賴(lài)進(jìn)口。好在交大孵化的上海治臻新能源裝備有限公司，已實(shí)現(xiàn)不銹鋼雙極板的大批量生產(chǎn)。“我們目前的產(chǎn)能是1000臺(tái)車(chē)/年，計(jì)劃明年把產(chǎn)能提高到5000臺(tái)車(chē)/年。”治臻總經(jīng)理藍(lán)樹(shù)槐博士說(shuō)。

與采用“三板三場(chǎng)”結(jié)構(gòu)的進(jìn)口鈦合金雙極板不同，國(guó)產(chǎn)不銹鋼雙極板的結(jié)構(gòu)是“兩板三場(chǎng)”，這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被譽(yù)為“中國(guó)方案”。上海交大機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院教授來(lái)新民表示，“兩板三場(chǎng)”是上海交大團(tuán)隊(duì)提出的原創(chuàng)構(gòu)想。陽(yáng)極板、隔板、陰極板“三板”的用料比較多，不但增加了成本，還會(huì)影響燃料電池的功率密度，可否把中間的隔板去掉?經(jīng)過(guò)持續(xù)數(shù)年的基礎(chǔ)研究，他們提出了“間隔連通—錯(cuò)位密封”新原理，使氫氣、氧氣等氣體進(jìn)入極板分配區(qū)后，能自行翻過(guò)流場(chǎng)，從而省去了隔板。這一成果獲得2019年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

多學(xué)科協(xié)同攻關(guān)

超薄雙極板的介觀制造新工藝、不銹鋼基底上的復(fù)合納米涂層，也是上海交大團(tuán)隊(duì)的原始創(chuàng)新成果。

一塊極板的厚度僅為75微米左右，比紙還薄，要在板上沖壓出密密麻麻的流道，讓氫氣、氧氣和冷卻液在那里傳輸，其技術(shù)難度可想而知。“為解決一沖壓就裂的難題，我們做了10年基礎(chǔ)研究和工程驗(yàn)證。”藍(lán)樹(shù)槐說(shuō)，經(jīng)過(guò)機(jī)械、流體力學(xué)、工程熱力學(xué)等多學(xué)科交叉攻關(guān)，上海交大團(tuán)隊(duì)通過(guò)微細(xì)成形過(guò)程仿真模型，梯度圓角設(shè)計(jì)、應(yīng)力積分回彈補(bǔ)償?shù)任⒓?xì)成形工藝設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出不同于宏觀制造的介觀制造新工藝。檢測(cè)報(bào)告顯示，超薄金屬雙極板制造工藝的誤差控制在10微米以?xún)?nèi)。

在“十年磨一劍”過(guò)程中，上海交大還組建了機(jī)械、材料、化學(xué)等多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，摸索設(shè)計(jì)出一種包含鈦、鉻、氮、碳等多種元素的復(fù)合涂層。其層數(shù)多達(dá)二三十層，總厚度卻不到200納米，具有高耐蝕、高導(dǎo)電性能。覆蓋這種涂層的不銹鋼雙極板，通過(guò)了5000小時(shí)車(chē)載壽命測(cè)試。

除了雙極板，膜電極也是燃料電池的核心部件。陽(yáng)極板和陰極板之間夾一片膜電極，就組成一節(jié)“三明治”結(jié)構(gòu)的燃料電池。膜電極的電化學(xué)反應(yīng)需要以貴金屬鉑為催化劑。為了降低鉑載量，上海交大燃料電池研究所所長(zhǎng)章俊良教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)取得重要突破，研制出適合車(chē)用工況的合金催化劑，其鉑載量較傳統(tǒng)的鉑碳催化劑大幅減少。2017年上海唐鋒能源科技有限公司成立后，這些實(shí)驗(yàn)室成果逐步轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)品。唐鋒臨港生產(chǎn)基地廠長(zhǎng)李培松介紹，公司的膜電極年產(chǎn)能已達(dá)到80萬(wàn)片以上，批量應(yīng)用于商用車(chē)和乘用車(chē)，鉑載量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

臨港提供應(yīng)用場(chǎng)景

掌握了雙極板、膜電極的關(guān)鍵核心技術(shù)，氫晨應(yīng)時(shí)而生。治臻和唐鋒都是這家企業(yè)的上游供應(yīng)商，氫晨將國(guó)產(chǎn)雙極板和膜電極組裝成燃料電池電堆，每臺(tái)電堆由400副雙極板和400片膜電極層疊裝配而成。

在上海市智能制造研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)和臨港集團(tuán)的支持下，氫晨首條自動(dòng)化生產(chǎn)線近日在上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)建成投產(chǎn)。功能型平臺(tái)總經(jīng)理、上海交大教授習(xí)俊通介紹，這條生產(chǎn)線具備智能制造特征，基本實(shí)現(xiàn)了物流、控制流、數(shù)據(jù)流“三流合一”。例如在雙極板和膜電極的匹配方面，每個(gè)部件都有二維碼，掃描后即可知道它的編號(hào)和各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)，后臺(tái)通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配，讓每副雙極板都能找到最適合它的膜電極“伴侶”，使電堆加工性能達(dá)到其設(shè)計(jì)性能。

“氫晨生產(chǎn)的H2系列電堆主要用于重卡、輕型卡車(chē)、公交車(chē)等商用車(chē)，也用于艦船和發(fā)電。”易培云告訴記者，“公司產(chǎn)能計(jì)劃今年底擴(kuò)大到1萬(wàn)臺(tái)/年，2021年底達(dá)到5萬(wàn)臺(tái)/年。”

三家企業(yè)都落戶(hù)在臨港，臨港新片區(qū)管委會(huì)和臨港集團(tuán)為燃料電池和氫能產(chǎn)業(yè)提供了諸多應(yīng)用場(chǎng)景。根據(jù)規(guī)劃方案，這個(gè)區(qū)域?qū)⒃谖磥?lái)兩年內(nèi)建設(shè)三座加氫站、一條燃料電池動(dòng)力的中運(yùn)量公交線路、200輛氫能物流車(chē)和20輛氫能重卡示范運(yùn)行，以及一個(gè)綠色制氫項(xiàng)目、兩個(gè)燃料電池?zé)犭娐?lián)供示范項(xiàng)目。

作為長(zhǎng)三角“氫走廊”的重要節(jié)點(diǎn)，臨港分別與江蘇的常熟、張家港、南通，浙江的嘉興、杭州、紹興、寧波等地組成了兩張交通網(wǎng)絡(luò)。商用車(chē)在臨港加注一次氫氣，就能駛往這些城市并返回臨港。隨著加氫站的日漸增多，將有越來(lái)越多的燃料電池汽車(chē)行駛在“氫走廊”上，推動(dòng)長(zhǎng)三角氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。(記者 俞陶然)