氫燃料電池:解密小世界 賦能大乾坤

近日,中國第一艘燃料電池遊艇「蠡湖」號通過試航。「蠡湖」號搭載的國產氫燃料電池由中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大連化物所)燃料電池研究部部長邵志剛團隊研製。「此前,氫燃料電池產業化只能依靠引進技術或購買核心部件,這大大影響了其國產化的步伐。」

作者:卜葉

邵志剛說,「我國氫燃料電池產業急需突破核心技術,打造示範性應用,讓實驗室成果走向工廠車間。」

自2005年回國後,邵志剛擔任大連化物所氫燃料電池研究團隊負責人。他鉚足了勁,誓要攻克核心技術難題,帶領團隊蹚出一條產業化之路。

氫燃料電池:解密小世界 賦能大乾坤

邵志剛(右一)指導團隊成員做實驗。袁秀忠攝

決戰方寸之間

氫燃料電池是能源界的「績優股」。相較於火力發電將化學能轉化為機械能、再轉化為電能,氫燃料電池直接將化學能轉化為電能,將能效從20%左右提升到50%以上。

對比普通儲能電池,氫燃料電池更像一座小型發電廠,只要保持氫能和氧氣的供應,即可產生源源不斷的電能。

理論聽起來很完美,應用卻遇到很多問題。

第一個坎是氫燃料電池的核心——電堆,遠遠看像個「大疙瘩」,主要包括雙極板和膜電極兩部分。

傳統雙極板由石墨板或石墨與金屬構成的復合板組成,所占空間較大,純金屬雙極板體積更小、質量更輕、更耐低溫、成本更低,但塗層材料、成型工藝等均存在國際性技術難點。

「傳統一代」已進入產業化,「新一代」猶如待墾荒原。

邵志剛帶領團隊迎難而上,攻克純金屬雙極板產業應用難題。

很快,研究團隊就遭遇第一個攔路虎——如何在亞毫米級的金屬薄板上精密加工出微米級精度的流場?大連化物所研究員侯明介紹,工程技術專家或許認為沖壓非常簡單,但雙極板的沖壓對精度的要求極高,有些想法即便能設計出來,也未必能加工出來;一個模具動輒兩三百萬元的成本,也讓團隊不敢貿然出手。

為攻克金屬雙極板高精密加工工藝,研究團隊反復計算、模擬、設計、小試,並與企業開展產學研合作,通過近16年7代模具的技術迭代,最終掌握了薄層不銹鋼金屬雙極板的高精度沖壓成型工藝。

「這項技術採用不銹鋼雙極板,較國外使用的鈦金屬雙極板,技術難度更高,但成本大幅下降。」邵志剛說。

膜電極有7層,中間是質子交換膜,膜兩側是催化層。

從1996年起從事質子交換膜燃料電池研究,邵志剛對膜電極的結構和工作原理了如指掌。

他介紹,在催化劑作用下,氫氣分解成電子和質子,電子形成電能,質子通過質子交換膜與氧離子結合生成水。

質子交換膜的作用就是只允許質子通過,防止氫氣和氧氣直接碰面,由此引發危險。

經過多年的探索和改良,如今膜電極已成為邵志剛團隊的拳頭產品。

團隊通過逆向思考,將質子交換膜用在電解水制氫過程中,獲得較高純度的氫氣。

此舉一舉兩得,同時解決了用氫和制氫兩個問題。

一步一個腳印,在方寸大的「戰場」上,團隊連續突破了高性能催化劑、增強復合膜、高性能低鉑膜電極、耐蝕薄層金屬雙極板、高比功率電堆、耐低溫系統集成及質子交換膜高效電解水制氫等核心技術,並基於這些核心技術開發出新一代氫燃料電池。

該電池的比功率從最初的1千瓦每升提高至4千瓦每升,已達到國際先進水平。

「研究氫燃料電池的團隊很多,但能做好的卻很少。因為氫燃料電池技術體系非常復雜,需要各個子系統同時提升,才能換來整體性能的質的飛躍。」侯明說。

邁向終極目標

讓成果靜靜躺在實驗室並不是邵志剛做科研的終極目標。

他認為,實踐是檢驗真理的唯一標准,走向應用的過程,也是檢驗實驗室成果價值的過程。

2017年以來,團隊建立了研發基地、中試基地、產業化基地的完整布局。邵志剛收到的企業名片裝滿了一個盒子又一個盒子,這也讓更多企業認識到新一代氫燃料電池的優越性。

但「新一代」的產業化並不如預期的順利,邵志剛發現,由於產業鏈太長,參與方過多,技術的鋪開速度較預期慢,甚至有推進不下去的時候。

於是,團隊尋找夥伴也更謹慎。

2017年,經過反復考察,邵志剛團隊將基於薄層金屬雙極板的氫燃料電池電堆專利技術普通許可給安徽明天氫能科技股份有限公司(以下簡稱安徽明天)。

燃料電池的電堆生產有沖壓、焊接、塗層、組裝等八大工藝。「我們的生產線經歷了反復的持續改進」。

安徽明天董事長王朝雲介紹,當時,所有設備生產線的安裝調試,在國內沒有任何參考和對標標准,完全靠自主設計與研發。

秉持着「不行從頭再來」的心態,經過兩年的不懈努力,雙方跨過千難萬險,終於建成國內首條萬套級金屬板燃料電池電堆生產線。

2019年12月,搭載邵志剛團隊核心技術的氫燃料電池公交車正式上線。該電池不僅可應用於乘用車領域,在商用車等領域也具備廣闊的應用前景。

與安徽明天的合作,也讓新一代氫燃料電池技術及應用向前邁進了一大步。目前,團隊已經探索出技術開發、技術許可、技術入股等靈活的產業化方式,並成功與國家電網、陽光電源等進行產業化合作。

「只靠政策扶植,氫燃料電池跑不遠,只有讓氫燃料電池好用起來,產業才會強大。團隊的終極目標就是讓人們用上國產氫燃料電池,讓國產氫燃料電池汽車跑起來。」邵志剛說。

一甲子的續力

近年來,一個個項目讓邵志剛像上了發條一樣。大連化物所副研究員謝峰介紹,由於導師邵志剛工作太忙,讀碩博士期間他經常晚上去找邵志剛商量問題。

如今,氫燃料電池汽車的使用,國際正在看中國。

「氫燃料電池技術更新、迭代很快,一旦團隊產業化的速度落後於市場,多年研究價值就會大大降低。」邵志剛稱自己和團隊面臨的壓力很大。

侯明有時候做夢還會夢到考試的場景,快要交卷了試題還沒答完。

雖然一路上取得了很多突破,但團隊成員從來沒有如釋重負的感覺,一直保持着領先的緊迫感和創新的使命感。

他調侃道:「我們的周六不叫加班,叫上班。」

20世紀60年代,大連化物所就開展氫燃料電池技術和應用的研究。

轉瞬一甲子,氫燃料電池研究這條板凳熱了涼,涼了熱;很多人來了走,走了來,但大連化物所始終如一,一刻不停。

邵志剛表示,氫燃料電池技術研發及應用是一項復雜的工程,僅靠一代人無法完成,需要長期積累,形成合力,以實現質變。

「我們現在取得的成績與中國工程院院士衣寶廉等老一輩科研人員建立的基礎和指導不無關系。」邵志剛說。

侯明介紹,衣寶廉院士有豐富的項目經驗,直到現在團隊有解決不了的問題還會向他請教。

衣院士總是耐心細致地給予分析,提出有效解決方案。

「每當收獲成果時,我們也會第一時間跟衣院士分享」。

截至2020年9月,團隊已轉化專利20件,牽頭或參與制定國家標准32件,牽頭制定國際標准1件,促進了氫燃料電池技術的國產化進程。

繁忙的工作讓剛知天命的邵志剛兩鬢斑白,2020年的腰疾復發又讓他一度難以久坐,但這並沒有阻擋他繼續帶領團隊前進的腳步。

近年來,團隊培養燃料電池專業碩博士130餘人,為國內氫燃料電池行業輸送了大批技術領軍人才,將接續的「火種」撒向全國。

侯明介紹,除了培養學生的創新能力,團隊也很重視技術、工程思維的培養。

「我們的學生跟實際聯系很密切,課題源於實際需要,接受的是實戰訓練,進入企業就能解決問題。」

來源:cnBeta