近日,中國(guó)第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號(hào)通過(guò)試航。“蠡湖”號(hào)搭載的國(guó)產(chǎn)氫燃料電池正來(lái)自于中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱大連化物所)燃料電池研究部部長(zhǎng)邵志剛團(tuán)隊(duì)。
“以前,氫燃料電池關(guān)鍵核心技術(shù)主要靠進(jìn)口,引進(jìn)技術(shù)或購(gòu)買核心部件,大大影響了氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化的步伐。”邵志剛說(shuō),“氫燃料電池產(chǎn)業(yè)急需突破核心技術(shù),打造示范性應(yīng)用,讓實(shí)驗(yàn)室成果走向工廠車間。”
自2005年回國(guó)后,邵志剛擔(dān)任大連化物所氫燃料電池研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,從那時(shí)起,他鉚足了勁,誓要攻克核心技術(shù)難題,帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)蹚出一條產(chǎn)業(yè)化之路。近日,中國(guó)科學(xué)院2020年度科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)(以下簡(jiǎn)稱科發(fā)獎(jiǎng))獲獎(jiǎng)名單公布,邵志剛團(tuán)隊(duì)的“新一代氫燃料電池技術(shù)及應(yīng)用”赫然在列。
決戰(zhàn)方寸之間
氫燃料電池是能源界的“績(jī)優(yōu)股”。相較于火力發(fā)電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、再轉(zhuǎn)化為電能,氫燃料電池直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,將能效從20%左右提升到50%以上。
對(duì)比普通儲(chǔ)能電池,氫燃料電池更像一座小型發(fā)電廠,只要保持氫能和氧氣的供應(yīng),即可產(chǎn)生源源不斷的電能。
理論上很完美,現(xiàn)實(shí)應(yīng)用卻有很多問(wèn)題,電堆是科研團(tuán)隊(duì)繞不開(kāi)的坎兒。電堆是氫燃料電池的核心,遠(yuǎn)遠(yuǎn)看像個(gè)“大疙瘩”,主要包括雙極板和膜電極兩部分。
傳統(tǒng)雙極板由石墨板或石墨與金屬組成的復(fù)合板組成,所占空間較大,純金屬雙極板體積更小、質(zhì)量更輕、更耐低溫、成本更低,但涂層材料、成型工藝等均存在國(guó)際性技術(shù)難點(diǎn)。
“傳統(tǒng)一代”已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化,“新一代”猶如待墾荒原。在此之際,研究團(tuán)隊(duì)毅然決然迎難而上,拓墾荒原,攻克純金屬雙極板產(chǎn)業(yè)應(yīng)用難題。
很快,研究團(tuán)隊(duì)遭遇了攔路虎。如何在亞毫米級(jí)的金屬薄板上精密加工出微米級(jí)精度的流場(chǎng),讓研究團(tuán)隊(duì)犯了難。侯明介紹,工程技術(shù)專家或許認(rèn)為沖壓非常簡(jiǎn)單,但雙極板的沖壓對(duì)精度的要求極高,有些想法即便能設(shè)計(jì)出來(lái),也未必能加工出來(lái);一個(gè)模具動(dòng)輒兩三百萬(wàn)的成本,也讓團(tuán)隊(duì)不敢貿(mào)然出手。
為攻克金屬雙極板高精密加工工藝,研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)計(jì)算、模擬、設(shè)計(jì)、小試,并與企業(yè)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作。通過(guò)近16年7代模具的技術(shù)迭代,最終掌握了薄層不銹鋼金屬雙極板的高精度沖壓成型工藝。
“這項(xiàng)技術(shù)采用不銹鋼雙極板,較國(guó)外使用的鈦金屬雙極板,技術(shù)難度更高,但成本大幅下降,具有廣闊的推廣前景。”邵志剛說(shuō)。
膜電極有7層,中間是質(zhì)子交換膜,膜兩側(cè)是催化層。從1996年起從事質(zhì)子交換膜燃料電池研究,邵志剛對(duì)膜電極的結(jié)構(gòu)和工作原理了如指掌。他介紹,在催化劑作用下,氫氣分解成電子和質(zhì)子,電子形成電能,質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜與氧離子結(jié)合生成水。質(zhì)子交換膜的作用就是只允許質(zhì)子通過(guò),防止氫氣和氧氣直接碰面,而引發(fā)危險(xiǎn)。
經(jīng)過(guò)多年的探索和改良,如今,膜電極已成為邵志剛團(tuán)隊(duì)的拿手好戲。同時(shí),團(tuán)隊(duì)逆向思考,將質(zhì)子交換膜用在電解水制氫過(guò)程中,隔離氫氣與氧氣,獲得較高純度的氫氣。一舉兩得,同時(shí)解決了用氫和制氫兩個(gè)問(wèn)題。
一步一個(gè)腳印,在方寸之大的“戰(zhàn)場(chǎng)”,團(tuán)隊(duì)連續(xù)突破了高性能催化劑、增強(qiáng)復(fù)合膜、高性能低鉑膜電極、耐蝕薄層金屬雙極板、高比功率電堆、耐低溫系統(tǒng)集成及質(zhì)子交換膜高效電解水制氫等核心技術(shù),并基于這些核心技術(shù)開(kāi)發(fā)出新一代氫燃料電池。該電池的比功率從最初的1千瓦每升提升到4千瓦每升,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
“研究氫燃料電池的團(tuán)隊(duì)很多,但能做好的卻很少。因?yàn)闅淙剂想姵丶夹g(shù)體系非常復(fù)雜,需要各個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)提升,才能換來(lái)整體性能的質(zhì)的飛躍。”大連化物所研究員侯明說(shuō)。
向終極目標(biāo)前進(jìn)
讓成果靜靜躺在實(shí)驗(yàn)室并不是邵志剛做科研的終極目標(biāo)。他認(rèn)為,實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),走向應(yīng)用的過(guò)程,也是檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室成果價(jià)值的過(guò)程。
2017年以來(lái),團(tuán)隊(duì)形成了研發(fā)基地、中試基地、產(chǎn)業(yè)化基地的完整布局,更多企業(yè)認(rèn)識(shí)到“新一代”的優(yōu)越性。
新冠肺炎疫情前,每天大概有七八家企業(yè)走訪實(shí)驗(yàn)室,商談產(chǎn)業(yè)化的事宜。多年來(lái),邵志剛收到的企業(yè)名片裝滿了一個(gè)盒子又一個(gè)盒子。
但“新一代”的產(chǎn)業(yè)化并不如預(yù)期的順利,邵志剛發(fā)現(xiàn),由于產(chǎn)業(yè)鏈太長(zhǎng),參與方過(guò)多,技術(shù)的鋪開(kāi)速度較預(yù)期慢,甚至有推進(jìn)不下去的時(shí)候。為此,團(tuán)隊(duì)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),尋找伙伴也更謹(jǐn)慎。
2017年,經(jīng)過(guò)反復(fù)考察,邵志剛團(tuán)隊(duì)將基于薄層金屬雙極板的氫燃料電池電堆專利技術(shù)普通許可給安徽明天氫能科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱安徽明天)。
燃料電池的電堆生產(chǎn)有沖壓、焊接、涂層、組裝等8大工藝,“我們的生產(chǎn)線經(jīng)歷過(guò)反復(fù)的持續(xù)改進(jìn)。”安徽明天董事長(zhǎng)王朝云介紹,當(dāng)時(shí),所有設(shè)備生產(chǎn)線的安裝調(diào)試,在國(guó)內(nèi)沒(méi)有任何參考和對(duì)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),完全靠自主設(shè)計(jì)與研發(fā)。秉持著“不行重頭再來(lái)”的心態(tài),經(jīng)過(guò)兩年的不懈努力,雙方跨過(guò)千難萬(wàn)險(xiǎn),終于攻克,建成國(guó)內(nèi)首條萬(wàn)套級(jí)金屬板燃料電池電堆生產(chǎn)線。
2019年12月,搭載邵志剛團(tuán)隊(duì)核心技術(shù)的氫燃料電池公交車正式上線。該電池不僅可應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域,在商用車等領(lǐng)域也具備廣闊的應(yīng)用前景。
與安徽明天的合作,也讓新一代氫燃料電池技術(shù)及應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。目前,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)探索出技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)許可、技術(shù)入股等靈活的產(chǎn)業(yè)化方式,并成功與國(guó)家電網(wǎng)、陽(yáng)光電源等進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化合作。
“只靠政策扶植,氫燃料電池跑不遠(yuǎn),只有讓氫燃料電池好用起來(lái),產(chǎn)業(yè)才會(huì)強(qiáng)大。團(tuán)隊(duì)的終極目標(biāo)就是讓人們用上國(guó)產(chǎn)氫燃料電池,讓國(guó)產(chǎn)氫燃料電池汽車跑起來(lái)。”邵志剛說(shuō)。
一甲子的接續(xù)努力
近年來(lái),一個(gè)個(gè)項(xiàng)目讓邵志剛像上了發(fā)條一樣。大連化物所副研究員謝峰介紹,由于導(dǎo)師邵志剛工作太忙,讀碩博士期間他經(jīng)常晚上去找邵志剛商量問(wèn)題。后來(lái),越來(lái)越多學(xué)生也選擇晚上去找邵志剛。
“做氫燃料電池的壓力很大,這些壓力主要來(lái)自市場(chǎng)。氫燃料電池技術(shù)更新、迭代很快,一旦團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化的速度落后于市場(chǎng),多年的研究的價(jià)值大大降低。”邵志剛說(shuō)。
這種緊迫感,讓團(tuán)隊(duì)一直保持著一股斗勁。侯明研究員調(diào)侃,現(xiàn)在有時(shí)候做夢(mèng)還會(huì)夢(mèng)到考試的場(chǎng)景,快要交卷了試題還沒(méi)答完。雖然一路上取得了很多突破,但團(tuán)隊(duì)成員從來(lái)沒(méi)有如釋重負(fù)的感覺(jué),心中一直有一種保持創(chuàng)新和領(lǐng)先的使命感。“團(tuán)隊(duì)成員都甘于付出,我們的周六不叫加班,叫上班。”侯明說(shuō)。
自上世紀(jì)60年代起,大連化物所就開(kāi)始?xì)淙剂想姵丶夹g(shù)和應(yīng)用的研究。轉(zhuǎn)瞬一甲子,氫燃料電池研究這條板凳熱了涼,涼了熱;很多人來(lái)了走,走了來(lái),但大連化物所始終如一,一刻不停。
邵志剛表示,氫燃料電池技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用是一項(xiàng)復(fù)雜的工程,僅靠一代人無(wú)法完成,需要長(zhǎng)期積累,形成合力,以實(shí)現(xiàn)質(zhì)變。“我們能做好,除了創(chuàng)新,與衣寶廉院士等老一輩科學(xué)家打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、長(zhǎng)期指導(dǎo)不無(wú)關(guān)系。”邵志剛說(shuō)。
在衣寶廉等老一輩科學(xué)家的指導(dǎo)下,團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜、雙極板、燃料電池電堆及車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)技術(shù)等方面,積累了大量經(jīng)驗(yàn)。
侯明介紹,衣院士有豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),直到現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)有解決不了的問(wèn)題還是會(huì)找到他。他總是耐心、細(xì)致分析,提出有效解決方案。每當(dāng)有成果時(shí),也第一時(shí)間跟衣院士分享。
截至2020年9月,團(tuán)隊(duì)已轉(zhuǎn)化專利20件,牽頭或參與制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)32件,牽頭制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1件,促進(jìn)了氫燃料電池技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。
繁忙的工作讓剛知天命的邵志剛兩鬢斑白,2020年的腰疾復(fù)發(fā)又讓他一度難以久坐,但這也沒(méi)有阻擋他繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)前進(jìn)。
近年來(lái),團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)燃料電池專業(yè)碩博士130余人,為國(guó)內(nèi)氫燃料電池行業(yè)輸送了大批技術(shù)領(lǐng)軍人才,將接續(xù)的“火種”撒向全國(guó)。
侯明介紹,除了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,團(tuán)隊(duì)也很重視技術(shù)、工程思維的培養(yǎng)。“我們的學(xué)生跟實(shí)際聯(lián)系很密切,課題源于實(shí)際需要,接受的是實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練,進(jìn)入企業(yè)就能解決問(wèn)題。”侯明說(shuō)。
猛然一回頭,才發(fā)現(xiàn)走了這么遠(yuǎn)。如今,氫燃料電池汽車的使用,國(guó)際正在看中國(guó)。
原標(biāo)題:氫燃料電池:解密小世界賦能大乾坤