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國產氫燃料電堆達到國際先進水平

發布時間:2020-10-10 瀏覽次數:607

項目團隊基礎研究取得“從0到1”創新突破,上海市智能制造研發與轉化功能型平臺推動“從1到10”成果轉化,助企業“從10到100”發展壯大。

財政部等五部門近日發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》,通過“以獎代補”方式,對入圍示范的城市群按照目標完成情況給予獎勵。這讓我國燃料電池汽車及氫能產業迎來了加速發展的風口期。

獎勵政策出臺后沒幾天,上海氫晨新能源科技有限公司就發布了車規級H2150F質子交換膜燃料電池電堆。這款電堆的峰值功率達到150千瓦,功率密度為3.5千瓦/升,通過全部車用設計驗證?!?014年,豐田推出Mirai時,國產車規級燃料電池和日本的差距很大?!鄙虾涑靠偨浝?、上海交通大學副教授易培云說,“而現在,我們自主研發的電堆已達到國際先進水平?!?br/>

為何能實現國際“并跑”?解放日報·上觀新聞記者采訪了解到,項目團隊的基礎研究取得“從0到1”的原始創新突破,上海市智能制造研發與轉化功能型平臺推動“從1到10”的科技成果轉化,是氫晨、治臻、唐鋒三家企業掌握燃料電池關鍵核心技術的兩大原因。

拿出“中國方案”

燃料電池以氫氣和空氣中的氧氣為原料,通過化學反應將氫氣中的能量轉換成電能,唯一產物是水,不會造成空氣污染。業界認為,加注氫氣的燃料電池汽車是汽車未來發展的一種“終極形態”,不過與純電動汽車相比,這種新能源汽車的商業化進程比較慢。當前,燃料電池汽車發展的重點方向是中遠途、中重型商用車,因為它們加注氫氣的時間比純電動汽車充電短得多,續航里程更長,適合卡車、客車等商用車,從而大幅減少交通污染。

15年前,盡管燃料電池的產業價值還不明朗,上海交大機械與動力工程學院薄板結構制造研究所就開始了雙極板研發。這是燃料電池的一個核心部件,占電堆體積的80%,承載著氫氣場、氧氣場、冷卻液流場“三場”的傳輸和導電功能。近年來,日本、歐洲企業研制出了鈦合金雙極板,如果中國企業無法制造這種部件,就只能依賴進口。好在交大孵化的上海治臻新能源裝備有限公司,已實現不銹鋼雙極板的大批量生產?!拔覀兡壳暗漠a能是1000臺車/年,計劃明年把產能提高到5000臺車/年?!敝握榭偨浝硭{樹槐博士說。

與采用“三板三場”結構的進口鈦合金雙極板不同,國產不銹鋼雙極板的結構是“兩板三場”,這一結構設計被譽為“中國方案”。上海交大機械與動力工程學院教授來新民表示,“兩板三場”是上海交大團隊提出的原創構想。陽極板、隔板、陰極板“三板”的用料比較多,不但增加了成本,還會影響燃料電池的功率密度,可否把中間的隔板去掉?經過持續數年的基礎研究,他們提出了“間隔連通—錯位密封”新原理,使氫氣、氧氣等氣體進入極板分配區后,能自行翻過流場,從而省去了隔板。這一成果獲得2019年度上海市技術發明獎特等獎。

多學科協同攻關

超薄雙極板的介觀制造新工藝、不銹鋼基底上的復合納米涂層,也是上海交大團隊的原始創新成果。

一塊極板的厚度僅為75微米左右,比紙還薄,要在板上沖壓出密密麻麻的流道,讓氫氣、氧氣和冷卻液在那里傳輸,其技術難度可想而知?!盀榻鉀Q一沖壓就裂的難題,我們做了10年基礎研究和工程驗證?!彼{樹槐說,經過機械、流體力學、工程熱力學等多學科交叉攻關,上海交大團隊通過微細成形過程仿真模型,梯度圓角設計、應力積分回彈補償等微細成形工藝設計,開發出不同于宏觀制造的介觀制造新工藝。檢測報告顯示,超薄金屬雙極板制造工藝的誤差控制在10微米以內。

在“十年磨一劍”過程中,上海交大還組建了機械、材料、化學等多學科團隊,摸索設計出一種包含鈦、鉻、氮、碳等多種元素的復合涂層。其層數多達二三十層,總厚度卻不到200納米,具有高耐蝕、高導電性能。覆蓋這種涂層的不銹鋼雙極板,通過了5000小時車載壽命測試。

除了雙極板,膜電極也是燃料電池的核心部件。陽極板和陰極板之間夾一片膜電極,就組成一節“三明治”結構的燃料電池。膜電極的電化學反應需要以貴金屬鉑為催化劑。為了降低鉑載量,上海交大燃料電池研究所所長章俊良教授帶領團隊取得重要突破,研制出適合車用工況的合金催化劑,其鉑載量較傳統的鉑碳催化劑大幅減少。2017年上海唐鋒能源科技有限公司成立后,這些實驗室成果逐步轉化成了產品。唐鋒臨港生產基地廠長李培松介紹,公司的膜電極年產能已達到80萬片以上,批量應用于商用車和乘用車,鉑載量達到國際先進水平。

臨港提供應用場景

掌握了雙極板、膜電極的關鍵核心技術,氫晨應時而生。治臻和唐鋒都是這家企業的上游供應商,氫晨將國產雙極板和膜電極組裝成燃料電池電堆,每臺電堆由400副雙極板和400片膜電極層疊裝配而成。

在上海市智能制造研發與轉化功能型平臺和臨港集團的支持下,氫晨首條自動化生產線近日在上海自貿區臨港新片區建成投產。功能型平臺總經理、上海交大教授習俊通介紹,這條生產線具備智能制造特征,基本實現了物流、控制流、數據流“三流合一”。例如在雙極板和膜電極的匹配方面,每個部件都有二維碼,掃描后即可知道它的編號和各項參數。根據這些參數,后臺通過數字孿生技術實現自動匹配,讓每副雙極板都能找到最適合它的膜電極“伴侶”,使電堆加工性能達到其設計性能。



“氫晨生產的H2系列電堆主要用于重卡、輕型卡車、公交車等商用車,也用于艦船和發電?!币着嘣聘嬖V記者,“公司產能計劃今年底擴大到1萬臺/年,2021年底達到5萬臺/年?!?br/>

三家企業都落戶在臨港,臨港新片區管委會和臨港集團為燃料電池和氫能產業提供了諸多應用場景。根據規劃方案,這個區域將在未來兩年內建設三座加氫站、一條燃料電池動力的中運量公交線路、200輛氫能物流車和20輛氫能重卡示范運行,以及一個綠色制氫項目、兩個燃料電池熱電聯供示范項目。

作為長三角“氫走廊”的重要節點,臨港分別與江蘇的常熟、張家港、南通,浙江的嘉興、杭州、紹興、寧波等地組成了兩張交通網絡。商用車在臨港加注一次氫氣,就能駛往這些城市并返回臨港。隨著加氫站的日漸增多,將有越來越多的燃料電池汽車行駛在“氫走廊”上,推動長三角氫能產業的發展。

來源:上觀新聞

作者:俞陶然


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