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产业化|氢燃料电池：解密小世界赋能大乾坤

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近日 ， 中国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号通过试航 。 “蠡湖”号搭载的国产氢燃料电池正来自于中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）燃料电池研究部部长邵志刚团队 。
“以前 ， 氢燃料电池关键核心技术主要靠进口 ， 引进技术或购买核心部件 ， 大大影响了氢燃料电池产业化的步伐 。 ”邵志刚说 ， “氢燃料电池产业急需突破核心技术 ， 打造示范性应用 ， 让实验室成果走向工厂车间 。 ”
自2005年回国后 ， 邵志刚担任大连化物所氢燃料电池研究团队负责人 ， 从那时起 ， 他铆足了劲 ， 誓要攻克核心技术难题 ， 带领团队蹚出一条产业化之路 。 近日 ， 中国科学院2020年度科技促进发展奖（以下简称科发奖）获奖名单公布 ， 邵志刚团队的“新一代氢燃料电池技术及应用”赫然在列 。
决战方寸之间
氢燃料电池是能源界的“绩优股” 。 相较于火力发电将化学能转化为机械能、再转化为电能 ， 氢燃料电池直接将化学能转化为电能 ， 将能效从20%左右提升到50%以上 。
对比普通储能电池 ， 氢燃料电池更像一座小型发电厂 ， 只要保持氢能和氧气的供应 ， 即可产生源源不断的电能 。
理论上很完美 ， 现实应用却有很多问题 ， 电堆是科研团队绕不开的坎儿 。 电堆是氢燃料电池的核心 ， 远远看像个“大疙瘩” ， 主要包括双极板和膜电极两部分 。
传统双极板由石墨板或石墨与金属组成的复合板组成 ， 所占空间较大 ， 纯金属双极板体积更小、质量更轻、更耐低温、成本更低 ， 但涂层材料、成型工艺等均存在国际性技术难点 。
“传统一代”已进入产业化 ， “新一代”犹如待垦荒原 。 在此之际 ， 研究团队毅然决然迎难而上 ， 拓垦荒原 ， 攻克纯金属双极板产业应用难题 。
很快 ， 研究团队遭遇了拦路虎 。 如何在亚毫米级的金属薄板上精密加工出微米级精度的流场 ， 让研究团队犯了难 。 侯明介绍 ， 工程技术专家或许认为冲压非常简单 ， 但双极板的冲压对精度的要求极高 ， 有些想法即便能设计出来 ， 也未必能加工出来；一个模具动辄两三百万的成本 ， 也让团队不敢贸然出手 。
【产业化|氢燃料电池：解密小世界赋能大乾坤】为攻克金属双极板高精密加工工艺 ， 研究团队反复计算、模拟、设计、小试 ， 并与企业开展产学研合作 。 通过近16年7代模具的技术迭代 ， 最终掌握了薄层不锈钢金属双极板的高精度冲压成型工艺 。
“这项技术采用不锈钢双极板 ， 较国外使用的钛金属双极板 ， 技术难度更高 ， 但成本大幅下降 ， 具有广阔的推广前景 。 ”邵志刚说 。
膜电极有7层 ， 中间是质子交换膜 ， 膜两侧是催化层 。 从1996年起从事质子交换膜燃料电池研究 ， 邵志刚对膜电极的结构和工作原理了如指掌 。 他介绍 ， 在催化剂作用下 ， 氢气分解成电子和质子 ， 电子形成电能 ， 质子通过质子交换膜与氧离子结合生成水 。 质子交换膜的作用就是只允许质子通过 ， 防止氢气和氧气直接碰面 ， 而引发危险 。
经过多年的探索和改良 ， 如今 ， 膜电极已成为邵志刚团队的拿手好戏 。 同时 ， 团队逆向思考 ， 将质子交换膜用在电解水制氢过程中 ， 隔离氢气与氧气 ， 获得较高纯度的氢气 。 一举两得 ， 同时解决了用氢和制氢两个问题 。
一步一个脚印 ， 在方寸之大的“战场” ， 团队连续突破了高性能催化剂、增强复合膜、高性能低铂膜电极、耐蚀薄层金属双极板、高比功率电堆、耐低温系统集成及质子交换膜高效电解水制氢等核心技术 ， 并基于这些核心技术开发出新一代氢燃料电池 。 该电池的比功率从最初的1千瓦每升提升到4千瓦每升 ， 达到国际先进水平 。
“研究氢燃料电池的团队很多 ， 但能做好的却很少 。 因为氢燃料电池技术体系非常复杂 ， 需要各个子系统同时提升 ， 才能换来整体性能的质的飞跃 。 ”大连化物所研究员侯明说 。
向终极目标前进
让成果静静躺在实验室并不是邵志刚做科研的终极目标 。 他认为 ， 实践是检验真理的唯一标准 ， 走向应用的过程 ， 也是检验实验室成果价值的过程 。
2017年以来 ， 团队形成了研发基地、中试基地、产业化基地的完整布局 ， 更多企业认识到“新一代”的优越性 。
新冠肺炎疫情前 ， 每天大概有七八家企业走访实验室 ， 商谈产业化的事宜 。 多年来 ， 邵志刚收到的企业名片装满了一个盒子又一个盒子 。
但“新一代”的产业化并不如预期的顺利 ， 邵志刚发现 ， 由于产业链太长 ， 参与方过多 ， 技术的铺开速度较预期慢 ， 甚至有推进不下去的时候 。 为此 ， 团队不断总结经验 ， 寻找伙伴也更谨慎 。
2017年 ， 经过反复考察 ， 邵志刚团队将基于薄层金属双极板的氢燃料电池电堆专利技术普通许可给安徽明天氢能科技股份有限公司（以下简称安徽明天） 。
燃料电池的电堆生产有冲压、焊接、涂层、组装等8大工艺 ， “我们的生产线经历过反复的持续改进 。 ”安徽明天董事长王朝云介绍 ， 当时 ， 所有设备生产线的安装调试 ， 在国内没有任何参考和对标标准 ， 完全靠自主设计与研发 。 秉持着“不行重头再来”的心态 ， 经过两年的不懈努力 ， 双方跨过千难万险 ， 终于攻克 ， 建成国内首条万套级金属板燃料电池电堆生产线 。
2019年12月 ， 搭载邵志刚团队核心技术的氢燃料电池公交车正式上线 。 该电池不仅可应用于乘用车领域 ， 在商用车等领域也具备广阔的应用前景 。
与安徽明天的合作 ， 也让新一代氢燃料电池技术及应用向前迈进了一大步 。 目前 ， 团队已经探索出技术开发、技术许可、技术入股等灵活的产业化方式 ， 并成功与国家电网、阳光电源等进行产业化合作 。
“只靠政策扶植 ， 氢燃料电池跑不远 ， 只有让氢燃料电池好用起来 ， 产业才会强大 。 团队的终极目标就是让人们用上国产氢燃料电池 ， 让国产氢燃料电池汽车跑起来 。 ”邵志刚说 。
一甲子的接续努力
近年来 ， 一个个项目让邵志刚像上了发条一样 。 大连化物所副研究员谢峰介绍 ， 由于导师邵志刚工作太忙 ， 读硕博士期间他经常晚上去找邵志刚商量问题 。 后来 ， 越来越多学生也选择晚上去找邵志刚 。
“做氢燃料电池的压力很大 ， 这些压力主要来自市场 。 氢燃料电池技术更新、迭代很快 ， 一旦团队产业化的速度落后于市场 ， 多年的研究的价值大大降低 。 ”邵志刚说 。
这种紧迫感 ， 让团队一直保持着一股斗劲 。 侯明研究员调侃 ， 现在有时候做梦还会梦到考试的场景 ， 快要交卷了试题还没答完 。 虽然一路上取得了很多突破 ， 但团队成员从来没有如释重负的感觉 ， 心中一直有一种保持创新和领先的使命感 。 “团队成员都甘于付出 ， 我们的周六不叫加班 ， 叫上班 。 ”侯明说 。
自上世纪60年代起 ， 大连化物所就开始氢燃料电池技术和应用的研究 。 转瞬一甲子 ， 氢燃料电池研究这条板凳热了凉 ， 凉了热；很多人来了走 ， 走了来 ， 但大连化物所始终如一 ， 一刻不停 。
邵志刚表示 ， 氢燃料电池技术研发及应用是一项复杂的工程 ， 仅靠一代人无法完成 ， 需要长期积累 ， 形成合力 ， 以实现质变 。 “我们能做好 ， 除了创新 ， 与衣宝廉院士等老一辈科学家打下的坚实基础、长期指导不无关系 。 ”邵志刚说 。
在衣宝廉等老一辈科学家的指导下 ， 团队在质子交换膜、双极板、燃料电池电堆及车用燃料电池发动机系统技术等方面 ， 积累了大量经验 。
侯明介绍 ， 衣院士有丰富的项目经验 ， 直到现在团队有解决不了的问题还是会找到他 。 他总是耐心、细致分析 ， 提出有效解决方案 。 每当有成果时 ， 也第一时间跟衣院士分享 。
截至2020年9月 ， 团队已转化专利20件 ， 牵头或参与制定国家标准32件 ， 牵头制定国际标准1件 ， 促进了氢燃料电池技术的国产化进程 。
繁忙的工作让刚知天命的邵志刚两鬓斑白 ， 2020年的腰疾复发又让他一度难以久坐 ， 但这也没有阻挡他继续带领团队前进 。
近年来 ， 团队培养燃料电池专业硕博士130余人 ， 为国内氢燃料电池行业输送了大批技术领军人才 ， 将接续的“火种”撒向全国 。
侯明介绍 ， 除了培养学生的创新能力 ， 团队也很重视技术、工程思维的培养 。 “我们的学生跟实际联系很密切 ， 课题源于实际需要 ， 接受的是实战训练 ， 进入企业就能解决问题 。 ”侯明说 。
猛然一回头 ， 才发现走了这么远 。 如今 ， 氢燃料电池汽车的使用 ， 国际正在看中国 。 （卜叶）
[责任编辑: 赵清建 ]

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