為燃料電池汽車(chē)核心部件上海提供“中國(guó)方案”

在剛剛頒布的2019年上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)中，由上海交通大學(xué)、新源動(dòng)力股份有限公司、上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司和上海治臻新能源裝備有限公司聯(lián)合研發(fā)的“高功率密度燃料電池薄型金屬雙極板及批量化精密制造技術(shù)”項(xiàng)目獲得技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)。

發(fā)展氫能與燃料電池汽車(chē)已經(jīng)成為全球共識(shí)。最近兩三年，歐美日韓等國(guó)相繼推出氫能源路線圖。我國(guó)也已將燃料電池汽車(chē)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)2030年年產(chǎn)量將達(dá)百萬(wàn)輛。

燃料電池“高功率密度、大功率輸出、長(zhǎng)壽命運(yùn)行、低成本制造”是長(zhǎng)期制約燃料電池汽車(chē)規(guī)?；茝V的國(guó)際難題，變革燃料電池核心部件——雙極板是破解上述難題的有效途徑。

電堆是燃料電池汽車(chē)的“心臟”，相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)。電堆由數(shù)百片金屬雙極板和膜電極層疊裝配而成。雙極板是其核心部件，起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等功能，其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外雙極板按材料不同可分為石墨板、金屬板與復(fù)合板三大類(lèi)。

相較于其他兩類(lèi)雙極板產(chǎn)品，金屬雙極板具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、機(jī)械加工性、致密性，以及強(qiáng)度高、阻氣性好等優(yōu)勢(shì)，可以為汽車(chē)應(yīng)用提供良好的能量密度、低溫（-40℃）啟動(dòng)保障，適合大批量低成本生產(chǎn)?？紤]到車(chē)輛空間限制問(wèn)題，金屬雙極板被國(guó)內(nèi)外車(chē)企，尤其是乘用車(chē)企寄予了厚望。

盡管在成形細(xì)密化、殘余應(yīng)力控制、耐蝕性、設(shè)計(jì)自由度等方面存在不足，但隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及成形技術(shù)、導(dǎo)電耐蝕涂層技術(shù)等日趨成熟，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)上市的豐田、本田、現(xiàn)代等燃料電池車(chē)型均不約而同地選用了金屬雙極板。

此番獲得上海技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)的金屬雙極板技術(shù)，就是歷經(jīng)十余年的研究，在結(jié)構(gòu)、工藝、裝備上都取得了重大突破。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院來(lái)新民教授指出，豐田之前的雙極板采用的“三板三場(chǎng)”結(jié)構(gòu)，而他們采用了“兩板三場(chǎng)”新結(jié)構(gòu)來(lái)提升電堆的密度，并采用不銹鋼代替了價(jià)格昂貴的鈦合金作基材。同時(shí)，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破了金屬雙極板電堆疊裝的接觸均勻性瓶頸，將雙極板的疊裝片數(shù)從130片提升至400片，開(kāi)發(fā)了首個(gè)400片115kW大功率車(chē)電堆，實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車(chē)的全功率驅(qū)動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的“ 兩板三場(chǎng)” 金屬極板燃料電池被2019世界新能源汽車(chē)大會(huì)評(píng)為代表新能源汽車(chē)方向的八項(xiàng)前沿技術(shù)之一。攝影/ 陳冰

因?yàn)殡姵囟咽怯?00片雙極板疊加在一起的，裝配誤差可能會(huì)對(duì)泄露產(chǎn)生影響，所以，金屬雙極板在制造過(guò)程對(duì)工藝要求極高，需要在200×400毫米的標(biāo)準(zhǔn)極板上沖壓成形高度在1mm以?xún)?nèi)的凹槽，精度都在微米級(jí)別。其次是焊接。由于基材厚度小于0.1mm，必須對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行很好的控制才能保證既不被焊穿又不產(chǎn)生大變形。第三就是耐久性。在酸性環(huán)境中，由于耐久性和導(dǎo)電性是一個(gè)蹺蹺板，如何兼顧耐久性和導(dǎo)電性，使腐蝕電流控制在1微安以下，接觸電阻控制在10毫歐以下？他們發(fā)明了一種復(fù)合涂層，在200納米厚度上采用20層進(jìn)行多層交替復(fù)合，使涂層非常致密，杜絕針孔問(wèn)題。

來(lái)新民團(tuán)隊(duì)先在學(xué)校進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究，然后與上汽集團(tuán)、新源動(dòng)力等緊密合作開(kāi)展車(chē)用金屬極板的開(kāi)發(fā)與試制工作，最終又建立起我國(guó)首條金屬雙極板全工藝流程生產(chǎn)線，探索出0到1、1到10、10到100的政產(chǎn)學(xué)研用的創(chuàng)新新模式。

團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的“兩板三場(chǎng)”金屬極板燃料電池被2019世界新能源汽車(chē)大會(huì)評(píng)為代表新能源汽車(chē)方向的八項(xiàng)前沿技術(shù)之一。建立的全套金屬極板制造技術(shù)體系，打破了國(guó)外壟斷，為燃料電池核心部件自主可控奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。突破電堆核心部件，為上汽乃至中國(guó)燃料電池汽車(chē)技術(shù)躋身國(guó)際一流行列提供了關(guān)鍵支撐。