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近日，中國第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號通過試航。“蠡湖”號搭載的國產(chǎn)氫燃料電池正來自于中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）燃料電池研究部部長邵志剛團(tuán)隊。

“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，“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，讓實驗室成果走向工廠車間。”

自2005年回國后，邵志剛擔(dān)任大連化物所氫燃料電池研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人，從那時起，他鉚足了勁，誓要攻克核心技術(shù)難題，帶領(lǐng)團(tuán)隊蹚出一條產(chǎn)業(yè)化之路。近日，中國科學(xué)院2020年度科技促進(jìn)發(fā)展獎（以下簡稱科發(fā)獎）獲獎名單公布，邵志剛團(tuán)隊的“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“績優(yōu)股”。相較于火力發(fā)電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能、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。

對比普通儲能電池，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)實應(yīng)用卻有很多問題，電堆是科研團(tuán)隊繞不開的坎兒。電堆是氫燃料電池的核心，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看像個“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際性技術(shù)難點。

“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)隊遭遇了攔路虎。如何在亞毫米級的金屬薄板上精密加工出微米級精度的流場，讓研究團(tuán)隊犯了難。侯明介紹，工程技術(shù)專家或許認(rèn)為沖壓非常簡單，但雙極板的沖壓對精度的要求極高，有些想法即便能設(shè)計出來，也未必能加工出來；一個模具動輒兩三百萬的成本，也讓團(tuán)隊不敢貿(mào)然出手。

為攻克金屬雙極板高精密加工工藝，研究團(tuán)隊反復(fù)計算、模擬、設(shè)計、小試，并與企業(yè)開展產(chǎn)學(xué)研合作。通過近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。

“這項技術(shù)采用不銹鋼雙極板，較國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。

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，防止氫氣和氧氣直接碰面，而引發(fā)危險。

經(jīng)過多年的探索和改良，如今，膜電極已成為邵志剛團(tuán)隊的拿手好戲。同時，團(tuán)隊逆向思考，將質(zhì)子交換膜用在電解水制氫過程中，隔離氫氣與氧氣，獲得較高純度的氫氣。一舉兩得，同時解決了用氫和制氫兩個問題。

一步一個腳印，在方寸之大的“戰(zhàn)場”，團(tuán)隊連續(xù)突破了高性能催化劑、增強復(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)到國際先進(jìn)水平。

“研究氫燃料電池的團(tuán)隊很多，但能做好的卻很少。因為氫燃料電池技術(shù)體系非常復(fù)雜，需要各個子系統(tǒng)同時提升，才能換來整體性能的質(zhì)的飛躍。”大連化物所研究員侯明說。

向終極目標(biāo)前進(jìn)

讓成果靜靜躺在實驗室并不是邵志剛做科研的終極目標(biāo)。他認(rèn)為，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，走向應(yīng)用的過程，也是檢驗實驗室成果價值的過程。

2017年以來，團(tuán)隊形成了研發(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)走訪實驗室，商談產(chǎn)業(yè)化的事宜。多年來，邵志剛收到的企業(yè)名片裝滿了一個盒子又一個盒子。

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，參與方過多，技術(shù)的鋪開速度較預(yù)期慢，甚至有推進(jìn)不下去的時候。為此，團(tuán)隊不斷總結(jié)經(jīng)驗，尋找伙伴也更謹(jǐn)慎。

2017年，經(jīng)過反復(fù)考察，邵志剛團(tuán)隊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)歷過反復(fù)的持續(xù)改進(jìn)。”安徽明天董事長王朝云介紹，當(dāng)時，所有設(shè)備生產(chǎn)線的安裝調(diào)試，在國內(nèi)沒有任何參考和對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，完全靠自主設(shè)計與研發(fā)。秉持著“不行重頭再來”的心態(tài)，經(jīng)過兩年的不懈努力，雙方跨過千難萬險，終于攻克，建成國內(nèi)首條萬套級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)隊已經(jīng)探索出技術(shù)開發(fā)、技術(shù)許可、技術(shù)入股等靈活的產(chǎn)業(yè)化方式，并成功與國家電網(wǎng)、陽光電源等進(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，產(chǎn)業(yè)才會強大。團(tuán)隊的終極目標(biāo)就是讓人們用上國產(chǎn)氫燃料電池，讓國產(chǎn)氫燃料電池汽車跑起來。”邵志剛說。

一甲子的接續(xù)努力

近年來，一個個項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題。后來，越來越多學(xué)生也選擇晚上去找邵志剛。

“做氫燃料電池的壓力很大，這些壓力主要來自市場。氫燃料電池技術(shù)更新、迭代很快，一旦團(tuán)隊產(chǎn)業(yè)化的速度落后于市場，多年的研究的價值大大降低。”邵志剛說。

這種緊迫感，讓團(tuán)隊一直保持著一股斗勁。侯明研究員調(diào)侃，現(xiàn)在有時候做夢還會夢到考試的場景，快要交卷了試題還沒答完。雖然一路上取得了很多突破，但團(tuán)隊成員從來沒有如釋重負(fù)的感覺，心中一直有一種保持創(chuàng)新和領(lǐng)先的使命感。“團(tuán)隊成員都甘于付出，我們的周六不叫加班，叫上班。”侯明說。

自上世紀(jì)60年代起，大連化物所就開始?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；很多人來了走，走了來，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)用是一項復(fù)雜的工程，僅靠一代人無法完成，需要長期積累，形成合力，以實現(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)家打下的堅實基礎(chǔ)、長期指導(dǎo)不無關(guān)系。”邵志剛說。

在衣寶廉等老一輩科學(xué)家的指導(dǎo)下，團(tuán)隊在質(zhì)子交換膜、雙極板、燃料電池電堆及車用燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)技術(shù)等方面，積累了大量經(jīng)驗。

侯明介紹，衣院士有豐富的項目經(jīng)驗，直到現(xiàn)在團(tuán)隊有解決不了的問題還是會找到他。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，也第一時間跟衣院士分享。

截至2020年9月，團(tuán)隊已轉(zhuǎn)化專利20件，牽頭或參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)32件，牽頭制定國際標(biāo)準(zhǔn)1件，促進(jìn)了氫燃料電池技術(shù)的國產(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，但這也沒有阻擋他繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊前進(jìn)。

近年來，團(tuán)隊培養(yǎng)燃料電池專業(yè)碩博士130余人，為國內(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。

侯明介紹，除了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，團(tuán)隊也很重視技術(shù)、工程思維的培養(yǎng)。“我們的學(xué)生跟實際聯(lián)系很密切，課題源于實際需要，接受的是實戰(zhàn)訓(xùn)練，進(jìn)入企業(yè)就能解決問題。”侯明說。

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，國際正在看中國。 

原標(biāo)題：氫燃料電池：解密小世界賦能大乾坤