袁偉：助力新能源技術(shù)“落地”

李明麗

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基，在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位不言而喻，可以說，沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國的必由之路。

十幾年前，在華南理工大學(xué)機(jī)械制造專業(yè)就讀的袁偉，就已經(jīng)有意識地思索怎樣利用制造知識，助力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，更好地為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)的命題了。經(jīng)過十多年的潛心求索，這個命題已經(jīng)有了答案。

“我國是能源消耗大國，開發(fā)和利用新能源是節(jié)能減排的重要途徑。我希望能夠利用我們在機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，介入到新能源（燃料電池、鋰離子電池等）的先進(jìn)制造技術(shù)研究中去，讓新能源技術(shù)得以盡快落地。這些研究包括電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計和制造、傳質(zhì)/傳熱高效管理、系統(tǒng)集成開發(fā)及應(yīng)用等?！痹瑐ニ悸非逦?，斗志昂揚(yáng)。為了實現(xiàn)這一夙愿，袁偉和他的團(tuán)隊以夢為馬，跨界鉆研，已經(jīng)取得了不菲成績。

開辟新路 創(chuàng)新制造理論

對于鋰離子電池，人們并不陌生，在日常生活中隨處可見，手機(jī)、筆記本電腦、充電寶、新能源汽車中都有它的身影。作為一種應(yīng)用廣泛、技術(shù)較為成熟的新能源動力儲能裝置，對于鋰離子電池的研究應(yīng)用，一直是學(xué)界的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。然而，會“衰老”、不耐受過沖或過放、受溫度影響大等缺陷，給鋰離子電池的應(yīng)用前景蒙上了陰影。

與之對應(yīng)的，燃料電池是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的近乎理想的能源裝置，具有轉(zhuǎn)化率高、能量密度高、可彈性設(shè)置、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在分布式發(fā)電、車載動力源、移動便攜電源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，因此正得到越來越多的關(guān)注和研究。

“如果說鋰離子電池是近中期的一個解決方案的話，那么，燃料電池則是相對面向中遠(yuǎn)期的能源裝置。”袁偉對不同類型新能源裝置的未來看得很清楚。作為一名機(jī)械制造專業(yè)出身的科研人員，袁偉更加關(guān)注的是這些新能源裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)制造問題，如何利用設(shè)計和制造優(yōu)勢來優(yōu)化電池性能，從而推動應(yīng)用落地是他和團(tuán)隊的研究重點(diǎn)。

拿直接甲醇燃料電池（DMFC）來說，它結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便，壽命更長，體積能量密度遠(yuǎn)高于當(dāng)前技術(shù)成熟且廣泛使用的鋰離子電池，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是最有可能取代傳統(tǒng)電源并率先實現(xiàn)市場化的一類燃料電池。同時，隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品換代不斷加快，以及人們對電源續(xù)航能力要求的不斷提高，DMFC將迎來重大發(fā)展機(jī)遇。

是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。盡管DMFC的研究已經(jīng)成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)，但其研究與開發(fā)仍處于初級階段。DMFC制造成本長期居高不下是遲遲未能產(chǎn)業(yè)化的重要原因，作為DMFC的關(guān)鍵元件，流場板約占整個電池質(zhì)量的70%？80%，成本約占總成本的40%？50%。同時，甲醇穿透會使陰極產(chǎn)生混合電位導(dǎo)致輸出電壓大幅下降，這是造成當(dāng)前DMFC功率密度普遍較低的主要原因。因此，在兼顧流場板的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等一系列物化屬性前提下，如何實現(xiàn)甲醇傳質(zhì)平衡的主動控制，是優(yōu)化流場板結(jié)構(gòu)（包括宏觀孔隙和微觀表面形貌）時必須解決的關(guān)鍵問題?！帮@然，解決流場板的高效制造及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急，也是突破其產(chǎn)業(yè)化瓶頸的重要途徑?！痹瑐ヒ会樢娧刂赋?。

當(dāng)時，學(xué)界多采用在石墨板表面雕刻槽道的方法或基于金屬薄板的溝槽式模壓工藝來制造流場板，但是這些方法要么成品率低、費(fèi)用高昂，要么雖能滿足輕質(zhì)化需要，但卻較多依賴模具而缺乏工藝柔性，均難以滿足產(chǎn)業(yè)化的需要。有沒有一種制造手段能夠同時解決電池的輕質(zhì)化、批量化和低成本化問題呢？

近年來，多孔金屬材料越來越多地受到燃料電池界的關(guān)注，有人認(rèn)為多孔金屬材料的大規(guī)模應(yīng)用有助于燃料電池早日實現(xiàn)市場化。但是，能夠滿足燃料電池功能需求的多孔金屬始終沒有形成一個自有市場體系，在行業(yè)內(nèi)也尚未形成共識。部分研究機(jī)構(gòu)也僅是停留在“拿來用”的階段，缺少主動制造和優(yōu)化手段。

袁偉卻是個例外，他一直在主動尋找機(jī)械制造技術(shù)與燃料電池的契合點(diǎn)。早在2013年，他就敏銳地注意到質(zhì)子交換膜燃料電池以及多孔金屬材料的快速發(fā)展趨勢，后在TOP期刊上發(fā)表了相關(guān)綜述文章，對該課題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述和分析。不久，袁偉再次發(fā)現(xiàn)對于氫燃料電池，燒結(jié)多孔流場性能優(yōu)于傳統(tǒng)蛇形溝槽流場，使得在被動式條件下操作電池成為可能。相關(guān)成果再次發(fā)表在TOP期刊上。后來，他還提出了考慮多結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合和電池兩極差異化影響的流場板優(yōu)化方法，突破了單因素分析方法的局限，獲得了一系列區(qū)別于傳統(tǒng)觀點(diǎn)的結(jié)論，相關(guān)成果發(fā)表在國際能源領(lǐng)域TOP期刊上，并得到以美國康涅狄格州立大學(xué)Faghri教授（燃料電池領(lǐng)域權(quán)威專家）為代表的學(xué)術(shù)同行的持續(xù)關(guān)注。

基于前期豐碩的研究成果，2015年，在國家自然科學(xué)基金的支持下，袁偉帶領(lǐng)團(tuán)隊深入開展了“基于切削金屬纖維的甲醇燃料電池多孔流場板制造及優(yōu)化基礎(chǔ)研究”。經(jīng)過4年的刻苦攻關(guān)，他們針對DMFC的結(jié)構(gòu)和操作特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出采用多齒切削工藝加工金屬纖維并經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)制造多孔流場板的技術(shù)路線，打通了從制造源頭提升電池性能的途徑，在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)。他們還重點(diǎn)研究了工藝參數(shù)對纖維表面形貌生成及燒結(jié)成形過程的影響機(jī)理和控制策略，研究纖維表面形貌的宏/微統(tǒng)一描述方法，構(gòu)建三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)淠Ｐ秃蛶缀渭s束關(guān)系，在表征多孔流場板結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵物化特性的基礎(chǔ)上研究其對電池性能的影響規(guī)律，優(yōu)化流場板在反應(yīng)物和產(chǎn)物高效管理中的功能機(jī)制。這在燃料電池的研究中具有較突出的創(chuàng)新性。

除此之外，項目團(tuán)隊還構(gòu)建了集工藝、結(jié)構(gòu)和功能等參數(shù)于一體的優(yōu)化鏈，顯著提升了電池性能。這種優(yōu)化方法在燃料電池的傳質(zhì)機(jī)制研究中尚屬罕見。因此，項目在執(zhí)行期間，還獲得了國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目的支持。因其出色的研究成果，該項目在“第十八屆國際制造會議（IMCC2019）”上被評為2018年度機(jī)械學(xué)科十大優(yōu)秀結(jié)題項目。不鳴則已，一鳴驚人，袁偉憑著過硬的機(jī)械制造功底和敏銳的前瞻視野，在燃料電池基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域闖出了一片天，成長為國家級科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

系統(tǒng)研發(fā) 破解應(yīng)用難題

氫被視為“21世紀(jì)的終極能源”、未來的能源貨幣，氫能燃料電池汽車因高效、節(jié)能、零排放等優(yōu)勢受到各國政府的高度重視，被認(rèn)為是解決汽車發(fā)展帶來的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的理想途徑，是全球能源競爭新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。全球主要發(fā)達(dá)國家如日本、美國、德國等均已開始積極部署發(fā)展氫能源及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。

我國亦積極部署，在《中國制造2025》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿）等重要綱領(lǐng)性文件中，已將燃料電池汽車作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，明確提出燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行的總體目標(biāo)。目前全國已有20多個省份制定出臺了氫能源及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和配套政策。作為先行先走的試驗區(qū)，廣東省也就《廣東省加快氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案》公開征求意見。放眼國際，環(huán)視國內(nèi)，氫燃料電池汽車研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)呈現(xiàn)如火如荼之勢。

前途光明，道路曲折。目前，我國在燃料電池乘用車方面尚無量產(chǎn)車型投放市場，主要是燃料電池產(chǎn)品級整車結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃料電池專用關(guān)鍵零部件開發(fā)、熱管理、高效能量管理、在線監(jiān)測與故障診斷、氫-電安全技術(shù)、測試評價體系以及批量生產(chǎn)制造工藝等方面的關(guān)鍵問題尚未解決。千帆競渡，百舸爭流。誰能率先破解技術(shù)難題，誰就將成為這一輪競爭的弄潮兒。

2019年，廣東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“燃料電池乘用車整車集成及動力系統(tǒng)平臺開發(fā)”啟動。在燃料電池研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域有深厚積淀和技術(shù)儲備的袁偉當(dāng)仁不讓，率領(lǐng)團(tuán)隊與廣州汽車集團(tuán)股份有限公司等單位一起展開協(xié)同攻關(guān)，迎難而上，合作開展研究，致力于推進(jìn)燃料電池乘用車示范運(yùn)行推廣，以支撐廣東省氫能與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略的實施。

作為技術(shù)支撐單位，袁偉和團(tuán)隊著力燃料電池動力系統(tǒng)水/熱管理及冷啟動技術(shù)研究。當(dāng)燃料電池與整車系統(tǒng)連接，尤其是涉及實際應(yīng)用，各種因素疊加耦合，各種系統(tǒng)都必須充分考量，可以說是困難重重。他們不僅需要建立燃料電池水管理模型，研究產(chǎn)物水的擴(kuò)散過程及聚集過程的傳質(zhì)行為機(jī)制；基于燃料電池系統(tǒng)分析，對動力系統(tǒng)水管理提出準(zhǔn)確需求。還要基于燃料電池電堆及系統(tǒng)零部件散熱特性，對標(biāo)分析國際先進(jìn)燃料電池動力系統(tǒng)熱管理方案，研究高能效熱管理技術(shù)。此外，還需研究燃料電池低溫傳熱特性，結(jié)合試驗，分析燃料電池自啟動、外部輔助啟動等技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，提出燃料電池低溫啟動解決思路與方案。

無限風(fēng)光在險峰。正因為前路艱難，才更有機(jī)會看到最美的風(fēng)景。拿燃料電池動力系統(tǒng)高效熱管理來說，PEM燃料電池工作溫度相對較低，與環(huán)境溫差小，導(dǎo)致熱管理開發(fā)難度大，是袁偉和團(tuán)隊要解決的關(guān)鍵問題。

“氫能燃料電池本質(zhì)上屬于質(zhì)子交換膜燃料電池范疇。如果動力系統(tǒng)溫度過高，會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水從而致使質(zhì)子傳導(dǎo)率降低；如果溫度過低，則會降低催化劑活性導(dǎo)致電池性能下降；如果溫度不平均，會導(dǎo)致質(zhì)子交換膜受熱不均勻，燃料電池壽命將會降低?！痹瑐ソ榻B。為了解決這個“高不成低不就”的尷尬難題，他和團(tuán)隊結(jié)合實驗和仿真分析手段，創(chuàng)造性地開發(fā)了基于單向熱管的被動式高效散熱模塊：當(dāng)電池溫度不高時，主要依靠被動式散熱；當(dāng)電池溫度高于設(shè)定值，水循環(huán)冷卻啟動；同時，制定被動式散熱和水循環(huán)散熱分級啟動策略，解決水循環(huán)冷卻能耗過大的問題。

在理論研究上，袁偉站在高處，用大系統(tǒng)多因素耦合的研發(fā)思維通盤考慮電池的性能；在實際應(yīng)用中，他又腳踏實地，深入細(xì)節(jié)，用系統(tǒng)綜合分析的方法來解決子系統(tǒng)的難題。合而不分，分而為合，蘊(yùn)含著獨(dú)到的科研哲學(xué)思維。

薪火相傳 成為優(yōu)秀的自己

袁偉應(yīng)該是記者采訪過求學(xué)和工作經(jīng)歷最簡單的科研人員了。無論是求學(xué)還是工作，他的選擇都是華南理工大學(xué)，這一晃就是近20年。在人才流動異常頻繁的當(dāng)下，他的這種執(zhí)著和感恩顯得尤為珍貴。

然而，他的經(jīng)歷又是“不簡單”的。在這近20年的時光里，一半時間，他是在求學(xué)深造，他如饑似渴地學(xué)習(xí)專業(yè)知識，在導(dǎo)師湯勇教授的指導(dǎo)下自主研發(fā)、茁壯成長，博士畢業(yè)時被選為優(yōu)秀畢業(yè)生代表在畢業(yè)典禮發(fā)表演講，博士論文被評為“廣東省優(yōu)秀博士學(xué)位論文”；另一半時間，則是在科研教學(xué)，用所學(xué)本領(lǐng)創(chuàng)新研究，培養(yǎng)新一代，先后兩次被破格晉升，主持各類項目20余個，入選國家級、省級多個人才計劃，已經(jīng)從懵懂少年快速成長為學(xué)科最年輕的領(lǐng)軍人才。

作為機(jī)械制造及自動化學(xué)科方向帶頭人，袁偉的研究團(tuán)隊有20多人。這是一支年輕的隊伍，成員大多是碩士、博士，他十分注重對團(tuán)隊年輕人的“傳幫帶”，甘心“做學(xué)生的良師益友”。平時，他是朋友，可以和學(xué)生一起開玩笑、談天、聚餐、唱歌；工作時，他是嚴(yán)師，做課題時，要求學(xué)生“用最飽滿的熱情，用最認(rèn)真的態(tài)度去做”。勞逸結(jié)合，全力以赴，整個團(tuán)隊氛圍既輕松又嚴(yán)肅。玩，就玩?zhèn)€痛快；研究，就你追我趕，精益求精。多年來，袁偉的學(xué)生已經(jīng)步入工作崗位，很多都已經(jīng)成為單位骨干，每年都有學(xué)生入選廣東省優(yōu)秀研究生。“很多學(xué)生來的時候是‘小綿羊，等畢業(yè)的時候已經(jīng)成了‘大老虎，有時我還得潑潑冷水?！绷钠饘W(xué)生，袁偉非常驕傲。

理論創(chuàng)新在左，服務(wù)應(yīng)用在右，團(tuán)隊教學(xué)在中間，一路耕耘，一路播撒，一路收獲。這便是袁偉的科研之路，他還將一直走下去。