攻下金屬板燃料電池產(chǎn)業(yè)化重要“城池”

傅云峰(右一)與團(tuán)隊(duì)討論問題。受訪者供圖

近日，上海驥翀氫能科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱驥翀氫能)成功研發(fā)COMPASS-S系列燃料電池備用電源。在驥翀氫能的金屬雙極板制造車間，一卷卷金屬板經(jīng)激光焊接、涂層、密封，變成了一塊塊有規(guī)律排列著或直或曲紋路的金屬雙極板。

驥翀氫能聯(lián)合創(chuàng)始人傅云峰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“這些紋路形成了金屬雙極板‘兩板三腔’結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是金屬雙極板的通道，為氫氣、氧氣和冷卻液提供進(jìn)出、分配和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是燃料電池電堆運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)單元。”

中科創(chuàng)星是驥翀氫能天使輪的投資方之一。“我們之所以選擇驥翀氫能，主要看中其團(tuán)隊(duì)、技術(shù)和賽道。”中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊近日在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。

機(jī)會(huì)的“種子”遇到合適的“土壤”

1999年，傅云峰考入清華大學(xué)攻讀碩士，其間接觸到鋰電池和燃料電池。隨著知識(shí)的積累，他發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池有著巨大應(yīng)用前景，是全球眾多化學(xué)家的研究重點(diǎn)。

“電池材料體系的研究‘深?yuàn)W又迷人’，尤其是20世紀(jì)90年代，鋰電材料和燃料電池材料的研究突破，為電池商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，我覺得這是工程師們的機(jī)會(huì)。”就這樣，傅云峰在心中埋下了一顆機(jī)會(huì)的“種子”。

相比鋰電池，傅云峰認(rèn)為燃料電池更前沿，前景更廣闊。從清華大學(xué)畢業(yè)后，傅云峰拿著燃料電池產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目申報(bào)書回到家鄉(xiāng)湖北，卻因項(xiàng)目太過(guò)前沿而受到“冷遇”。

隨后，傅云峰一路北上，最終加入中國(guó)燃料電池的搖籃——中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱大化所)的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)。傅云峰心中的“種子”終于遇到了合適的“土壤”，破土而出。

“別人能做到，我們也能做到”

2002年，傅云峰剛剛加入大化所產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)時(shí)，石墨雙極板技術(shù)路線是行業(yè)主流。他隨即投入到了柔性石墨雙極板的技術(shù)開發(fā)中。

在國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)和工藝空白、外部資料信息封鎖的情況下，傅云峰與團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年，采用原創(chuàng)工藝技術(shù)完成了柔性石墨雙極板的小批量生產(chǎn)，成功實(shí)現(xiàn)50千瓦電堆模塊上車運(yùn)行，并且參與了2008年北京奧運(yùn)會(huì)燃料電池汽車的示范運(yùn)營(yíng)。

參與研發(fā)的技術(shù)能夠應(yīng)用于世界矚目的盛會(huì)，對(duì)剛?cè)胄械母翟品鍋?lái)說(shuō)是極大的鼓舞。但他并沒有因此而停止前進(jìn)的步伐，因?yàn)閲?guó)內(nèi)剛剛起步的燃料電池產(chǎn)業(yè)還有很多“真空地帶”等待探索。其中，金屬雙極板成型就是困擾行業(yè)的一大問題。

傅云峰告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，與石墨板路線相比，金屬雙極板更符合車用燃料電池電堆技術(shù)的主流方向。但當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)金屬雙極板都是蝕刻成型，難以滿足批量化生產(chǎn)的環(huán)保性和一致性需求，在重量方面也體現(xiàn)不出金屬板的優(yōu)勢(shì)，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

這一問題成為阻礙金屬板燃料電池產(chǎn)業(yè)化的一塊“大石頭”。在完全“空白”的情況下，傅云峰認(rèn)為毫無(wú)頭緒地“埋頭苦干”不是辦法，應(yīng)該首先了解先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

2005年，大化所有一次去日本調(diào)研的機(jī)會(huì)，傅云峰主動(dòng)申請(qǐng)前往。在參觀中，一塊兩個(gè)板、三個(gè)腔(兩板三腔)的金屬板引起了他的注意，“不同于國(guó)內(nèi)的蝕刻，這塊金屬板是以沖壓方式成型的”。

“兩個(gè)板子怎么沖壓形成了三個(gè)腔呢?”從日本回來(lái)后，這個(gè)問題一直困擾著傅云峰。

傅云峰和團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，沖壓成型時(shí)，為保證陰陽(yáng)極板相互支撐和流體流動(dòng)，陰陽(yáng)極流場(chǎng)可交叉設(shè)計(jì)，形成陰陽(yáng)極流場(chǎng)，而陰陽(yáng)極板重合時(shí)凹陷部位相對(duì)、突起部位相對(duì)，通過(guò)黏結(jié)或者焊接，就可形成冷卻腔的密封。但問題也隨之而來(lái)，冷卻腔進(jìn)出口因凹陷部位相對(duì)而封閉。

為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)成員不斷討論、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，卻仍無(wú)進(jìn)展。傅云峰提議跳出已有方案的圈子，回歸結(jié)構(gòu)本身。在這一思路下，團(tuán)隊(duì)最終利用雙極板“兩板”特性，提出了解決方案，于2007年在國(guó)內(nèi)率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結(jié)構(gòu)難題并申請(qǐng)相關(guān)專利。

2007年以前，“兩板三腔”結(jié)構(gòu)是阻礙國(guó)內(nèi)金屬雙極板燃料電池從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的一大難題，也是大部分研究燃料電池團(tuán)隊(duì)希望解決卻遲遲未能突破的難題。傅云峰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用兩年時(shí)間，在國(guó)內(nèi)率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結(jié)構(gòu)，為金屬雙極板燃料電池的產(chǎn)業(yè)化“攻下一城”。

傅云峰解釋到，雙極板是燃料電池電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。因此，金屬雙極板“兩板三腔”結(jié)構(gòu)難題是金屬板燃料電池產(chǎn)業(yè)化道路中的重要“城池”，它的解決為燃料電池從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)掃除了一個(gè)基本障礙。直到現(xiàn)在，市面上的沖壓成型金屬雙極板所沿用的還是這種“兩板三腔”結(jié)構(gòu)方案。

這次經(jīng)歷對(duì)傅云峰來(lái)說(shuō)非常重要，讓他對(duì)中國(guó)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化更有信心：“別人能做到，我們也能做到。”

用有限的條件創(chuàng)造事業(yè)

近幾年，氫能已成為新能源領(lǐng)域的一大“熱詞”。

隨著政策加持、資本入場(chǎng)，中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程不斷加快。這讓傅云峰切身感受到，投身多年的事業(yè)終于迎來(lái)了曙光。他像20年前一樣，毫不猶豫抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，再次加入中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)化的大潮。

2018年12月，傅云峰作為聯(lián)合創(chuàng)始人，參與創(chuàng)立了驥翀氫能?；貞泟?chuàng)業(yè)初期，傅云峰最大的感受是艱苦，因?yàn)橐磺卸际菑念^開始，條件非常有限，場(chǎng)地、測(cè)試臺(tái)非常簡(jiǎn)陋，人員也不充足。

就是在這樣的“有限條件”下，傅云峰參與并部分主持了MH170金屬雙極板燃料電池電堆的研發(fā)工作，將“兩板三腔”結(jié)構(gòu)應(yīng)用于其中。

2019年4月，驥翀氫能完成天使輪融資，投資方為中科創(chuàng)星與重塑科技。

米磊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，他們之所以投資驥翀氫能，主要有以下幾個(gè)理由。從團(tuán)隊(duì)來(lái)看，驥翀氫能的創(chuàng)始人及核心團(tuán)隊(duì)均來(lái)自大化所，從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)歷都具有“稀缺性”;從技術(shù)來(lái)看，電堆相當(dāng)于燃料電池的“心臟”，驥翀氫能具有相對(duì)成熟的電堆產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了氫能源燃料領(lǐng)域的關(guān)鍵性突破;從賽道來(lái)看，以驥翀氫能為代表的自主創(chuàng)新型中國(guó)氫能企業(yè)的出現(xiàn)，有助于提升我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

2020年，MH170燃料電池電堆問世，刷新了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外金屬雙極板電堆功率和功率密度的紀(jì)錄。傅云峰20多年前埋藏在心中的“種子”終于開花結(jié)果了。

此后，MH170不斷突破，如今單堆額定功率已達(dá)到160千瓦，裸堆體積比功率密度4.7千瓦/升,可實(shí)現(xiàn)零下40攝氏度低溫存儲(chǔ)與無(wú)輔助啟動(dòng)，兼具長(zhǎng)壽命和低成本優(yōu)勢(shì)，在行業(yè)中具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

傅云峰向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》透露，他正在研究一種比“兩板三腔”結(jié)構(gòu)更先進(jìn)的金屬雙極板結(jié)構(gòu)方案，不久之后將實(shí)現(xiàn)在MH290電堆產(chǎn)品中的應(yīng)用。