為燃料電池汽車核心部件上海提供“中國方案”

在剛剛頒布的2019年上海市科學技術獎中，由上海交通大學、新源動力股份有限公司、上海汽車集團股份有限公司和上海治臻新能源裝備有限公司聯合研發的“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”項目獲得技術發明特等獎。

發展氫能與燃料電池汽車已經成為全球共識。最近兩三年，歐美日韓等國相繼推出氫能源路線圖。我國也已將燃料電池汽車列入國家發展戰略，預計2030年年產量將達百萬輛。

燃料電池“高功率密度、大功率輸出、長壽命運行、低成本制造”是長期制約燃料電池汽車規模化推廣的國際難題，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的“心臟”，相當于傳統燃油車的發動機。電堆由數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、導熱、導電等功能，其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。現階段，國內外雙極板按材料不同可分為石墨板、金屬板與復合板三大類。

相較于其他兩類雙極板產品，金屬雙極板具有優異的導電、導熱性能、機械加工性、致密性，以及強度高、阻氣性好等優勢，可以為汽車應用提供良好的能量密度、低溫（-40℃）啟動保障，適合大批量低成本生產。考慮到車輛空間限制問題，金屬雙極板被國內外車企，尤其是乘用車企寄予了厚望。

盡管在成形細密化、殘余應力控制、耐蝕性、設計自由度等方面存在不足，但隨著產業的發展，以及成形技術、導電耐蝕涂層技術等日趨成熟，已實現量產上市的豐田、本田、現代等燃料電池車型均不約而同地選用了金屬雙極板。

此番獲得上海技術發明特等獎的金屬雙極板技術，就是歷經十余年的研究，在結構、工藝、裝備上都取得了重大突破。項目負責人、上海交通大學機械與動力工程學院來新民教授指出，豐田之前的雙極板采用的“三板三場”結構，而他們采用了“兩板三場”新結構來提升電堆的密度，并采用不銹鋼代替了價格昂貴的鈦合金作基材。同時，聯合研發團隊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從130片提升至400片，開發了首個400片115kW大功率車電堆，實現了燃料電池汽車的全功率驅動。

團隊共同開發的“ 兩板三場” 金屬極板燃料電池被2019世界新能源汽車大會評為代表新能源汽車方向的八項前沿技術之一。攝影/ 陳冰

因為電池堆是由400片雙極板疊加在一起的，裝配誤差可能會對泄露產生影響，所以，金屬雙極板在制造過程對工藝要求極高，需要在200×400毫米的標準極板上沖壓成形高度在1mm以內的凹槽，精度都在微米級別。其次是焊接。由于基材厚度小于0.1mm，必須對工藝參數進行很好的控制才能保證既不被焊穿又不產生大變形。第三就是耐久性。在酸性環境中，由于耐久性和導電性是一個蹺蹺板，如何兼顧耐久性和導電性，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？他們發明了一種復合涂層，在200納米厚度上采用20層進行多層交替復合，使涂層非常致密，杜絕針孔問題。

來新民團隊先在學校進行基礎理論研究，然后與上汽集團、新源動力等緊密合作開展車用金屬極板的開發與試制工作，最終又建立起我國首條金屬雙極板全工藝流程生產線，探索出0到1、1到10、10到100的政產學研用的創新新模式。

團隊共同開發的“兩板三場”金屬極板燃料電池被2019世界新能源汽車大會評為代表新能源汽車方向的八項前沿技術之一。建立的全套金屬極板制造技術體系，打破了國外壟斷，為燃料電池核心部件自主可控奠定了堅實基礎。突破電堆核心部件，為上汽乃至中國燃料電池汽車技術躋身國際一流行列提供了關鍵支撐。