燃料电池原始创新迎来产业风口期，三家“交大系”企业研制出国际先进电堆

下课铃响了

财政部等五部门近日发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，通过 " 以奖代补 " 方式，对入围示范的城市群按照目标完成情况给予奖励。这让我国燃料电池汽车及氢能产业迎来了加速发展的风口期。
奖励政策出台后没几天，上海氢晨新能源科技有限公司就发布了车规级 H2150F 质子交换膜燃料电池电堆。这款电堆的峰值功率达到 150 千瓦，功率密度为 3.5 千瓦 / 升，通过全部车用设计验证。"2014 年，丰田推出 Mirai 时，国产车规级燃料电池和日本的差距很大。" 上海氢晨总经理、上海交通大学副教授易培云说，" 而现在，我们自主研发的电堆已达到国际先进水平。"
为何能实现国际 " 并跑 "？解放日报 · 上观新闻记者采访了解到，交大团队的基础研究取得 " 从 0 到 1" 的原始创新突破，上海市智能制造研发与转化功能型平台推动 " 从 1 到 10" 的科技成果转化，是氢晨、治臻、唐锋三家企业掌握燃料电池关键核心技术的两大原因。


极板 " 中国方案 " 源自原创构想
燃料电池以氢气和空气中的氧气为原料，通过化学反应将氢气中的能量转换成电能，唯一产物是水，不会造成空气污染。业界认为，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 "，不过与纯电动汽车相比，这种新能源汽车的商业化进程比较慢。当前，燃料电池汽车发展的重点方向是中远途、中重型商用车，因为它们加注氢气的时间比纯电动汽车充电短得多，续航里程更长，适合做卡车、客车等商用车，从而大幅减少交通污染。
15 年前，尽管燃料电池的产业价值还不明朗，交大机械与动力工程学院薄板结构制造研究所就开始了双极板研发。这是燃料电池的一个核心部件，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。近年来，日本、欧洲企业研制出了钛合金双极板，如果中国企业无法制造这种部件，就只能依赖进口。好在交大孵化的上海治臻新能源装备有限公司，已实现不锈钢双极板的大批量生产。" 我们目前的产能是 1000 台车 / 年，计划明年把产能提高到 5000 台车 / 年。" 治臻总经理蓝树槐博士说。
与采用 " 三板三场 " 结构的进口钛合金双极板不同，国产不锈钢双极板的结构是 " 两板三场 "，这一结构设计被誉为 " 中国方案 "。来新民教授表示，" 两板三场 " 是交大团队提出的原创构想。阳极板、隔板、阴极板 " 三板 " 的用料比较多，不但增加了成本，还会影响燃料电池的功率密度，可否把中间的隔板去掉？经过持续数年的基础研究，他们提出了 " 间隔连通—错位密封 " 新原理，使氢气、氧气等气体进入极板分配区后，能自行翻过流场，从而省去了隔板。这一成果获得 2019 年度上海市技术发明奖特等奖。


十年多学科攻关取得多项突破
超薄双极板的介观制造新工艺、不锈钢基底上的复合纳米涂层，也是交大团队的原始创新成果。
一块极板的厚度仅为 75 微米左右，比纸还薄，要在板上冲压出密密麻麻的流道，让氢气、氧气和冷却液在那里传输，其技术难度可想而知。" 为解决一冲压就裂的难题，我们做了 10 年基础研究和工程验证。" 蓝树槐说，经过机械、流体力学、工程热力学等多学科交叉攻关，交大团队通过微细成形过程仿真模型，梯度圆角设计、应力积分回弹补偿等微细成形工艺设计，开发出不同于宏观制造的介观制造新工艺。检测报告显示，超薄金属双极板制造工艺的误差控制在 10 微米以内。
在 " 十年磨一剑 " 过程中，交大还组建了机械、材料、化学等多学科团队，摸索设计出一种包含钛、铬、氮、碳等多种元素的复合涂层。其层数多达二三十层，总厚度却不到 200 纳米，具有高耐蚀、高导电性能。覆盖这种涂层的不锈钢双极板，通过了 5000 小时车载寿命测试。
除了双极板，膜电极也是燃料电池的核心部件。阳极板和阴极板之间夹一片膜电极，就组成一节 " 三明治 " 结构的燃料电池。膜电极的电化学反应需要以铂为催化剂，铂俗称白金，价格高昂。为了降低铂载量，交大燃料电池研究所所长章俊良教授带领团队取得重要突破，研制出适合车用工况的合金催化剂，其铂载量较传统的铂碳催化剂大幅减少。2017 年上海唐锋能源科技有限公司成立后，这些实验室成果逐步转化成了产品。唐锋临港生产基地厂长李培松介绍，公司的膜电极年产能已达到 80 万片以上，批量应用于商用车和乘用车，铂载量达到国际先进水平。
临港为氢能产业提供应用场景
掌握了双极板、膜电极的关键核心技术，氢晨应时而生。治臻和唐锋都是这家企业的上游供应商，氢晨将国产双极板和膜电极组装成燃料电池电堆，每台电堆由 400 副双极板和 400 片膜电极层叠装配而成。
在上海市智能制造功能型平台和临港集团的支持下，氢晨首条自动化生产线近日在自贸区临港新片区建成投产。功能型平台总经理、交大教授习俊通介绍，这条生产线具备智能制造特征，基本实现了物流、控制流、数据流 " 三流合一 "。例如在双极板和膜电极的匹配方面，每个部件都有二维码，扫描后即可知道它的编号和各项参数。根据这些参数，后台通过数字孪生技术实现自动匹配，让每副双极板都能找到最适合它的膜电极 " 伴侣 "，使电堆加工性能达到其设计性能。


上海市智能制造功能型平台还参与孵化了治臻、唐锋、氢晨三家 " 交大系 " 企业，通过团队控股、平台持股、社会资本入股、职业经理人运营的孵化模式，推动产品链、技术链、产业链协同创新，让企业快速完成了 " 从 1 到 10" 的科技成果转化，进入 " 从 10 到 100" 的发展壮大阶段。
随着《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》发布，这三家掌握关键核心技术、形成产业链上下游关系的企业迎来了产业风口期。" 氢晨生产的 H2 系列电堆主要用于重卡、轻型卡车、公交车等商用车，也用于舰船和发电。" 易培云告诉记者，" 公司产能计划今年底扩大到 1 万台 / 年，2021 年底达到 5 万台 / 年。"


三家企业都落户在临港，临港新片区管委会和临港集团为燃料电池和氢能产业提供了诸多应用场景。根据规划方案，这个区域将在未来两年内建设三座加氢站、一条燃料电池动力的中运量公交线路、200 辆氢能物流车和 20 辆氢能重卡示范运行，以及一个绿色制氢项目、两个燃料电池热电联供示范项目。
作为长三角 " 氢走廊 " 的重要节点，临港分别与江苏的常熟、张家港、南通，浙江的嘉兴、杭州、绍兴、宁波等地组成了两张交通网络。商用车在临港加注一次氢气，就能驶往这些城市并返回临港。随着加氢站的日渐增多，将有越来越多的燃料电池汽车行驶在 " 氢走廊 " 上，推动长三角氢能产业的发展。
栏目主编：黄海华 本文作者：俞陶然 文字编辑：俞陶然 题图来源：赖鑫琳 摄