作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2022/9/22 13:00:59
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攻下金属板燃料电池产业化重要“城池”

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傅云峰(右一)与团队讨论问题(受访者供图)

近日,上海骥翀氢能科技有限公司(以下简称骥翀氢能)成功研发COMPASS—S系列燃料电池备用电源。在称骥翀氢能的金属双极板制造车间,一卷卷金属板经激光焊接、涂层、密封,变成了一块块规律排列着或直或曲纹路的金属双极板。

骥翀氢能联合创始人傅云峰告诉《中国科学报》说:“这些纹路形成了金属双极板‘两板三腔’结构,实际上就是金属双极板的通道,为氢气、氧气和冷却液提供进出、分配和发生化学反应的场所,是燃料电池电堆运行的基本结构单元。”

2007年以前,“两板三腔”结构是阻碍国内金属双极板燃料电池从实验室走向产业化的一大难题,也是几乎大部分研究燃料电池的团队希望解决、却迟迟没有突破的难题。

傅云峰带领团队用两年时间,在国内率先攻克薄型金属双极板“两板三腔”结构,为金属双极板燃料电池的产业化“攻下一城”。

机会的“种子”遇到合适的“土壤”

1999年,傅云峰考入清华大学攻读硕士研究生,期间接触到锂电池和燃料电池。随着知识的积累,他发现动力电池有着巨大应用前景,是全世界众多化学家的研究重点。

“电池材料体系的研究‘深奥又迷人’,尤其是20世纪90年代,锂电材料和燃料电池材料的研究突破为商业化奠定了基础,我觉得这是工程师们的机会。”就这样,傅云峰的心中埋下了一颗机会的“种子”。

相比锂电池而言,傅云峰认为燃料电池更前沿,前景也更广阔。从清华大学毕业后,傅云峰拿着燃料电池产业化的项目申报书回到家乡湖北,却因为行业太过前沿而受到了“冷遇”,但这并没有影响傅云峰走上燃料电池产业化道路的坚定信念。

随后,傅云峰一路北上,最终加入中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大化所)的产业化平台,大化所是中国燃料电池的摇篮。傅云峰心中的“种子”终于遇到了合适的“土壤”,蓄势而出。

“别人能做到,我们也能做到”

2002年,傅云峰刚刚加入大化所产业化平台时,石墨双极板技术路线是行业主流,他随即投入到了柔性石墨双极板的技术开发中。

在国内相关设计和工艺空白、外部资料信息封锁的情况下,傅云峰与团队历时5年,采用原创工艺技术完成了柔性石墨双极板的小批量生产,成功实现50千瓦电堆模块上车运行,并且参与了2008年北京奥运会燃料电池汽车的示范运营。

参与研发的技术能够应用于世界瞩目的盛会,对刚入行的傅云峰来说是极大的鼓舞。但他并没有因此而停止前进的步伐,因为国内刚刚起步的燃料电池产业还有很多“真空地带”等待探索。其中,金属双极板成型就是困扰行业的一大问题。

傅云峰告诉《中国科学报》,与石墨板路线相比,金属双极板更符合车用燃料电池电堆技术的主流方向,但当时,国内金属双极板都是蚀刻成型,难以满足批量化生产的环保性和一致性需求,在重量方面也体现不出金属板的优势,只能停留在实验室中。

这一问题成为阻碍金属板燃料电池产业化的一块“大石头”,全行业都在尝试解决,傅云峰也不例外。在完全“空白”的情况下,傅云峰认为毫无头绪地“埋头苦干”不是办法,应该首先了解先进经验。

2005年,大化所有一次日本调研的机会,傅云峰主动申请前往。在参观中,一块两个板、三个腔(两板三腔)的金属板引起了傅云峰的注意:“不同于国内的蚀刻,这块金属板是以冲压方式成型的。”

“两个板子怎么冲压形成了三个腔呢?”从日本回来后,这个问题一直困扰着傅云峰。

傅云峰和团队在实验中发现,冲压成型时,为保证阴阳极板相互支撑和流体流动,阴阳极流场可交叉设计,形成阴阳极流场,而阴阳极板重合时凹陷部位相对、突起部位相对,通过粘接或者焊接,就可形成冷却腔的密封。但问题也随之而来,冷却腔进出口因凹陷部位相对而封闭。

为了解决这个难题,团队成员不断讨论、实验、测试,苦苦思索没有进展时,傅云峰提议跳出已有方案的圈子,回归结构本身。在这一思路之下,团队最终利用双极板“两板”特性,提出了解决方案,于2007年在国内率先攻克薄型金属双极板“两板三腔”结构难题并申请相关专利。

双极板是燃料电池电堆中的“骨架”,与膜电极层叠装配成电堆,直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。因此,金属双极板“两板三腔”结构难题是金属板燃料电池产业化道路中的重要“城池”,它的解决为燃料电池的从实验室走向市场扫除了一个基本障碍。直到现在,市面上的冲压成型金属双极板所沿用的还是这种“两板三腔”结构方案。

这次经历对傅云峰来说非常重要,让他对中国燃料电池的产业化更有信心:“别人能做到,我们也能做到。”

用有限的条件创造事业

近几年,燃料电池产业化领域不断积累的技术突破终于迎来“历史的转折”,氢能已成为新能源领域的一大“热词”。政策加持、资本入场,中国燃料电池产业化的进程不断加快。

傅云峰感到,投身多年的事业终于迎来了曙光,他像20年前一样,毫不犹豫抓住这个机会,再次加入中国燃料电池产业化的大潮。

2018年12月,傅云峰作为联合创始人,参与创立了骥翀氢能。回忆创业初期,傅云峰最大的感受是艰苦,因为一切都是从头开始,条件非常有限,场地、测试台非常简陋,人员也不充足。他认为,正是因为条件“有限”,才有更多的发挥空间,才更有机会“创造事业”。

就是在这样的“有限条件”下,傅云峰参与并部分主持了MH170金属双极板燃料电池电堆的研发工作,将“两板三腔”结构应用于其中。

2020年,MH170燃料电池电堆问世,刷新了当时国内外金属双极板电堆功率和功率密度的纪录。傅云峰感受到20多年前埋藏在心中的“种子”终于要开花结果了。

此后,MH170不断突破,如今单堆额定功率已达到了160千瓦,裸堆体积比功率密度4.7千瓦/升,可实现零下40摄氏度低温存储与无辅助启动,兼具长寿命和低成本优势,在行业中具有明显的竞争优势。

傅云峰向《中国科学报》透露,他正在研究一种比“两板三腔”结构更先进的金属双极板结构方案,不久之后将实现在MH290电堆产品中的应用。他认为:“20年前我们没有落后,20年后,我们的产业化也不能落后。”

 
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