今天上午举行的2019年度上海市科技奖励大会上，“高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术”项目荣获上海市技术发明奖特等奖。双极板是燃料电池的核心部件之一，上海交通大学科研团队经过15年研发，与上汽集团、新源动力、上海治臻等企业合作研制出了具有自主知识产权的金属双极板。
这种采用“两板三场”结构设计的双极板是国际首创，其性能指标达到国际先进水平。由国产双极板串联层叠组成的车用电堆，功率为115千瓦，处于国际“领跑”地位，实现了燃料电池汽车的全功率驱动。
“15年磨一剑”初心不改
“研发燃料电池的人要有情怀，在看不清市场前景的情况下，也不能放弃。”作为项目第一完成人，上海交大机械与动力工程学院来新民教授感慨道。燃料电池以氢气、空气中的氧气等为原料，在催化剂作用下通过化学反应产生电流，排放的是水，不会造成空气污染。业界普遍认为，加注氢气的燃料电池汽车是汽车未来发展的一种“终极形态”。与纯电动汽车相比，燃料电池汽车的加注时间很短，续航里程更长，环保性能更优。然而在各种新能源汽车中，燃料电池汽车的商用进程较慢，市场前景长期以来不太明晰。
早在2005年，来新民就开始带领团队研发燃料电池双极板。在“15年磨一剑”历程中，他们遇到过很多技术挑战，也一度因看不清燃料电池汽车的发展前景而感到困惑，但他们选择了坚持，始终没有改变研究方向。
从2017年起，中国、日本、韩国、欧盟和美国相继发布了氢能发展规划。根据我国政府规划，到2030年，国内燃料电池汽车将达到百万辆规模。根据上海市政府规划，到2030年，上海燃料电池汽车全产业链年产值将突破3000亿元，带动全国燃料电池产品多元化应用。
如何实现我国氢能蓝图、打造上海产业高地？研发燃料电池的关键核心技术是必由之路。作为核心部件，双极板占电堆体积的80%，承载着氢气场、氧气场、冷却液流场“三场”的传输和导电功能。在厚度仅为1毫米左右的金属双极板上，分布着密密麻麻的流道，精度达到微米级，氢气、氧气、冷却液就在这些流道里传输，发生奇妙的电化学反应。近年来，日本、欧洲企业研制出钛合金双极板，取代了传统的石墨双极板。如果中国企业无法制造这种部件，国内汽车企业就只能依赖进口。
创新策源实现“两板三场”
突破关键核心技术的秘诀是什么？来新民认为，基础研究的创新策源、与产业界合作的工程实践，是高校科研成功的两大法宝。
日本、欧洲企业生产的金属双极板都采用“三板三场”结构设计，即用阳极板、隔板、阴极板将氢气场、氧气场、冷却液流场隔开。能否简化这种结构，去掉隔板，改为“两板三场”？在研发早期阶段，交大团队提出了这一原创构想。“三块板的用料比较多，不仅增加了成本，而且分量也重，这样就会影响燃料电池的功率密度。”特等奖项目第六完成人、上海治臻总经理蓝树槐博士解释说。
为实现“两板三场”的构想，交大团队开展了持续数年的基础研究，提出“层越设计”等多个原创性理论，让氢气、氧气等气体从进口公用管道进入分配区后，能自行翻过流场，从而省去中间的隔板。经过三代12款双极板研发，“两板三场”结构不断改进，已得到充分的工程验证。目前，沪研双极板的厚度在1毫米以内，功率密度超过3千瓦/升，达到国际领先水平。
材料方面，交大的技术路径也与众不同。日本、欧洲企业用钛合金取代传统的石墨，而我国缺钛，所以交大团队制定了“不锈钢+复合涂层”方案。经过多年摸索，他们发明了钛、铬、氮、碳等多元复合涂层，层数有二三十层之多，每一层的工艺各不相同。由于十分致密，复合涂层的厚度在100纳米以下，具有高耐蚀、高导电性能。经测试，其接触电阻和腐蚀电流显著优于国外先进涂层，还通过了车用5000小时寿命考核。
在原创性研究的基础上，交大团队从2009年起与上汽集团、新源动力合作，实施了连续5期的燃料电池技术攻关项目。2015年，国内第一辆采用金属双极板的燃料电池轿车在上汽问世。迄今为止，这个产学研合作团队已获中国发明专利授权37件，申请pct（专利合作条约）专利5件，编制国家标准13项。
教师辞职创业，推进产业化
交大团队创办企业，实现从科研到产业的转化，也是他们成功的一个原因。2016年3月，上海治臻新能源装备有限公司在临港成立，成为国内第一家专注于金属双极板研发与制造的企业。这家企业的天使投资来自上汽创投，交大将10件双极板核心专利转让给企业，让这些发明成果在产业化道路上发挥出更大的价值。
作为公司总经理，蓝树槐曾是交大教师。为了全身心投入产业化工作，他没有选择停薪留职，而是辞去了交大工作。“办企业和做科研是两回事。”谈及自己的辞职创业，蓝树槐说，“如果我上午在交大上课，下午去公司办公，这种状态是不可持续的。”
在上海市科委和临港集团的持续支持下，上海治臻2017年建成了国内首条具有自主知识产权的燃料电池金属双极板生产线，设计年产能达到50万片以上，成为国内最大的金属双极板供应商之一。冲压、焊接、涂层、密封、检验……在公司生产车间，解放日报·上观新闻记者观看了整个生产流程，这些国产双极板已应用于国内10家整车制造企业。预计明年6月，第二条年产数百万片的生产线将建成，满足日益增长的燃料电池市场需求。
上海治臻成立后，交大团队培养的研究生也有了好去处。目前，公司有毕业于交大的4名博士和2名硕士。“我读研究生时，一直在研究金属双极板。”姜天豪博士告诉记者，“毕业后来治臻工作，让我实现了从学习到工作的无缝对接，立马就能学以致用。”据了解，公司将继续招聘来自各地高校的博士和硕士，扩充高水平研发队伍，为进一步提升金属双极板性能和开拓市场应用奠定基础。
