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氢燃料电池:解密小世界 赋能大乾坤

来源:中国科学报 作者:卜叶 人气: 发布时间:2021-02-10 10:43:41

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邵志刚(右一)指导团队成员做实验。袁秀忠摄

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由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研制。

“此前,氢燃料电池产业化只能依靠引进技术或购买核心部件,这大大影响了其国产化的步伐。”邵志刚说,“我国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。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。

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。

理论听起来很完美,应用却遇到很多问题。第一个坎是氢燃料电池的核心——电堆,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构成的复合板组成,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。邵志刚带领团队迎难而上,攻克纯金属双极板产业应用难题。

很快,研究团队就遭遇第一个拦路虎——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?大连化物所研究员侯明介绍,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元的成本,也让团队不敢贸然出手。

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。”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,由此引发危险。

经过多年的探索和改良,如今膜电极已成为邵志刚团队的拳头产品。团队通过逆向思考,将质子交换膜用在电解水制氢过程中,获得较高纯度的氢气。此举一举两得,同时解决了用氢和制氢两个问题。

一步一个脚印,在方寸大的“战场”上,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1千瓦每升提高至4千瓦每升,已达到国际先进水平。

“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。”侯明说。

迈向终极目标

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,团队建立了研发基地、中试基地、产业化基地的完整布局。邵志刚收到的企业名片装满了一个盒子又一个盒子,这也让更多企业认识到新一代氢燃料电池的优越性。

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。于是,团队寻找伙伴也更谨慎。

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、组装等八大工艺。“我们的生产线经历了反复的持续改进”。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“不行从头再来”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。

一甲子的续力

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。

如今,氢燃料电池汽车的使用,国际正在看中国。“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,多年研究价值就会大大降低。”邵志刚称自己和团队面临的压力很大。

侯明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,一直保持着领先的紧迫感和创新的使命感。他调侃道:“我们的周六不叫加班,叫上班。”

20世纪60年代,大连化物所就开展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。“我们现在取得的成绩与中国工程院院士衣宝廉等老一辈科研人员建立的基础和指导不无关系。”邵志刚说。

侯明介绍,衣宝廉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会向他请教。衣院士总是耐心细致地给予分析,提出有效解决方案。“每当收获成果时,我们也会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,但这并没有阻挡他继续带领团队前进的脚步。

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。”

(编辑:逍遥客)

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