驥翀氫能傅云峰：國內(nèi)率先攻克金屬板“兩板三腔”結(jié)構(gòu)難題，為燃料電池產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)

在上海驥翀氫能科技有限公司(以下簡稱“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、董事、副總工程師傅云峰說:“這些紋路形成了金屬雙極板‘兩板三腔’結(jié)構(gòu),實(shí)際上就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)的場所,是燃料電池電堆運(yùn)行的基本結(jié)構(gòu)單元。”

2007年以前,“兩板三腔”結(jié)構(gòu)是阻礙國內(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,也是幾乎所有研究燃料電池的團(tuán)隊(duì)希望解決、卻遲遲沒有突破的難題。傅云峰堅(jiān)信“別人能做到的,我們也能做到”,他全身心撲在金屬板的結(jié)構(gòu)上,最終用兩年時(shí)間在國內(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(中)查看金屬雙極板結(jié)構(gòu)參數(shù)

執(zhí)著投身于燃料電池事業(yè)

本科就讀于材料工程專業(yè)的傅云峰畢業(yè)后發(fā)現(xiàn),碳素材料廣泛的應(yīng)用價(jià)值在實(shí)際生產(chǎn)生活中并沒有得到充分釋放,這讓他感到很意外。為尋找碳材料的高價(jià)值應(yīng)用,1999年傅云峰考入清華大學(xué)攻讀研究生。

讀研期間,傅云峰接觸到鋰電池和燃料電池,隨著文獻(xiàn)知識的積累,他發(fā)現(xiàn)動力電池有著巨大應(yīng)用前景,是全世界眾多化學(xué)家的研究重點(diǎn)。“電池材料體系的研究‘深奧又迷人’,尤其是上世紀(jì)90年代,鋰電材料和燃料電池材料的研究突破為商業(yè)化奠定了基礎(chǔ),我覺得這是工程師們的機(jī)會。”就這樣,傅云峰的心中埋下了一顆“種子”。

相比鋰電池而言,傅云峰認(rèn)為燃料電池更前沿,前景也更廣闊。畢業(yè)時(shí),他拿著燃料電池產(chǎn)業(yè)化的項(xiàng)目申報(bào)書回到家鄉(xiāng)湖北,卻因?yàn)樾袠I(yè)太過前沿而受到了“冷遇”,但這并沒有影響傅云峰走燃料電池產(chǎn)業(yè)化道路的堅(jiān)定信念。他一路北上,最終加入了“中國燃料電池的搖籃”中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的產(chǎn)業(yè)化平臺。心中的“種子”終于找到了合適的“土壤”,蓄勢而出。

懷揣“我們能做到”的信念,屢次攻克技術(shù)難題

2002年傅云峰剛剛加入大化所產(chǎn)業(yè)化平臺時(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)會燃料電池汽車的示范運(yùn)營。

參與研發(fā)的技術(shù)能夠應(yīng)用于世界矚目的盛會,對剛?cè)胄械母翟品鍋碚f是極大的肯定。但他并沒有因此而停止前進(jìn)的步伐,因?yàn)閲鴥?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。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,只能停留在實(shí)驗(yàn)室中。因此,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”,全行業(yè)都在嘗試解決,傅云峰也不例外。

在完全“空白”的情況下,傅云峰認(rèn)為毫無頭緒地“埋頭苦干”不是辦法,應(yīng)該首先了解先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。2005年,所里有一次日本調(diào)研的機(jī)會,傅云峰主動申請前往。在參觀中,一塊兩個(gè)板、三個(gè)腔的金屬板引起了傅云峰的注意,不同于國內(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?”從日本回來后,這個(gè)問題一直困擾著傅云峰,他決心要攻克“兩板三腔”難題。實(shí)驗(yàn)中,傅云峰和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),沖壓成型時(shí),為保證陰陽極板相互支撐和流體流動,陰陽極流場可交叉設(shè)計(jì),形成陰陽極流場,而陰陽極板重合時(shí)凹陷部位相對、突起部位相對,通過粘接或者焊接,就可形成冷卻腔的密封。但問題也隨之而來,冷卻腔進(jìn)出口因凹陷部位相對而封閉。

傅云峰(右一)與團(tuán)隊(duì)討論

為了解決這個(gè)難題,團(tuán)隊(duì)成員不斷討論、實(shí)驗(yàn)、測試,苦苦思索沒有進(jìn)展時(shí),傅云峰提議跳出已有方案的圈子,回歸結(jié)構(gòu)本身。在這一思路之下,最終利用雙極板“兩板”特性,提出了解決方案,于2007年在國內(nèi)率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結(jié)構(gòu)難題并申請相關(guān)專利。

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的從實(shí)驗(yàn)室走向市場掃除了一個(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)歷對傅云峰來說非常重要,讓他對中國燃料電池的產(chǎn)業(yè)化更有信心,他相信:“別人能攻克的技術(shù)難題,我們一樣可以!”

緊抓大潮投身創(chuàng)業(yè),實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)業(yè)化

近幾年,燃料電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域不斷積累的技術(shù)突破終于迎來“歷史的轉(zhuǎn)折”。在世界各國競相推動“碳達(dá)峰、碳中和”的大背景下,氫能已成為近年來新能源領(lǐng)域的一大“熱詞”。政策加持、資本入場,中國燃料電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程不斷加快。

傅云峰感到,投身多年的事業(yè)終于迎來了曙光,他像20年前一樣,毫不猶豫抓住這個(gè)機(jī)會,再次參與進(jìn)中國燃料電池產(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:“一切都是從頭開始,所以條件非常有限,場地、測試臺都非常簡陋,人員也不充足。”但他卻認(rèn)為,正是因?yàn)闂l件“有限”,才有更多的發(fā)揮空間,才更有機(jī)會“創(chuàng)造事業(yè)”。

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

傅云峰在工作中

此后,MH170不斷突破,如今單堆額定功率已達(dá)到了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攝氏度低溫存儲與無輔助啟動,兼具長壽命和低成本優(yōu)勢,在行業(yè)中具有明顯的競爭優(yōu)勢。

傅云峰還透露,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。

驥翀氫能的燃料電池產(chǎn)業(yè)化事業(yè)正在穩(wěn)步向前。傅云峰始終堅(jiān)持認(rèn)為:“20年前我們沒有落后,20年后,我們的產(chǎn)業(yè)化也不能落后。”正如他面對技術(shù)難題時(shí)所展現(xiàn)出信心和決心一樣,傅云峰堅(jiān)信:“別人能做到的,我們也能做到。中國只要越來越多的人投身于燃料電池的產(chǎn)業(yè)化中,這一天遲早會到來!”