以氫氣為能源的燃料電池汽車已進入商業化階段，有望成為未來汽車的主力軍。如何把這種新能源汽車的核心部件掌握在自己手里？榮獲2019年度上海市技術發明獎特等獎的“高功率密度燃料電池薄型金屬雙極板及批量化精密制造技術”項目，給國人帶來了喜訊和啟發。

雙極板是燃料電池的核心部件之一，上海交通大學科研團隊經過15年研發，與上汽集團、新源動力、上海治臻等企業合作研制出了具有自主知識產權的金屬雙極板。這種采用“兩板三場”結構設計的雙極板是國際首創，其性能指標達到國際先進水平。由國產雙極板串聯層疊組成的車用電堆，功率為115千瓦，處于國際“領跑”地位，實現了燃料電池汽車的全功率驅動。

“15年磨一劍”初心不改

“研發燃料電池的人要有情懷，在看不清市場前景的情況下，也不能放棄。”作為項目第一完成人，上海交大機械與動力工程學院來新民教授感慨道。燃料電池以氫氣、空氣中的氧氣等為原料，在催化劑作用下通過化學反應產生電流，排放的是水，不會造成空氣污染。業界普遍認為，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”。與純電動汽車相比，燃料電池汽車的加注時間很短，續航里程更長，環保性能更優。然而在各種新能源汽車中，燃料電池汽車的商業化進程較慢，市場前景長期以來不太明晰。

早在2005年，來新民就開始帶領團隊研發燃料電池雙極板。在“15年磨一劍”歷程中，他們遇到過很多技術挑戰，也一度因看不清燃料電池汽車的發展前景而感到困惑，但他們選擇了堅持，始終沒有改變研究方向。

從2017年起，中國、日本、韓國、歐盟和美國相繼發布了氫能發展規劃。根據我國政府規劃，到2030年，國內燃料電池汽車將達到百萬輛規模。根據上海市政府規劃，到2025年，上海要形成系列化燃料電池電堆產品，燃料電池汽車技術同步國際水平，全產業鏈年產值破1000億元，建成加氫站50座，乘用車不少于2萬輛、其他特種車輛不少于1萬輛，在公交、商用大巴、物流車等前期試點基礎上擴大示范規模；到2030年，上海燃料電池汽車技術和制造總體上要達到國外同等水平，全產業鏈年產值突破3000億元，帶動全國燃料電池應用產品多元化應用。

如何實現我國氫能藍圖、打造上海產業高地？研發燃料電池的關鍵核心技術是必由之路。作為核心部件，雙極板占電堆體積的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。在厚度僅為1毫米左右的金屬雙極板上，分布著密密麻麻的流道，精度達到微米級，氫氣、氧氣、冷卻液就在這些流道里傳輸，發生奇妙的電化學反應。近年來，日本、歐洲企業研制出鈦合金雙極板，取代了傳統的石墨雙極板。如果中國企業無法制造這種部件，國內汽車企業就只能依賴進口。

創新策源實現“兩板三場”

突破關鍵核心技術的秘訣是什么？來新民認為，基礎研究的創新策源、與產業界合作的工程實踐，是高校科研成功的兩大法寶。

日本、歐洲企業生產的金屬雙極板都采用“三板三場”結構設計，即用陽極板、隔板、陰極板將氫氣場、氧氣場、冷卻液流場隔開。能否簡化這種結構，去掉隔板，改為“兩板三場”？在研發早期階段，交大團隊提出了這一原創構想。“三塊板的用料比較多，不僅增加了成本，而且分量也重，這樣就會影響燃料電池的功率密度。”特等獎項目第六完成人、上海治臻總經理藍樹槐博士解釋說。

為實現“兩板三場”的構想，交大團隊開展了持續數年的基礎研究，提出“層越設計”等多個原創性理論，讓氫氣、氧氣等氣體從進口公用管道進入分配區后，能自行翻過流場，從而省去中間的隔板。經過三代12款雙極板研發，“兩板三場”結構不斷改進，已得到充分的工程驗證。目前，滬研雙極板的厚度在1毫米以內，功率密度超過3千瓦/升，達到國際領先水平。

材料方面，交大的技術路徑也與眾不同。日本、歐洲企業用鈦合金取代傳統的石墨，而我國缺鈦，所以交大團隊制定了“不銹鋼+復合涂層”方案。經過多年摸索，他們發明了鈦、鉻、氮、碳等多元復合涂層，層數有二三十層之多，每一層的工藝各不相同。由于十分致密，復合涂層的厚度在100納米以下，具有高耐蝕、高導電性能。經測試，其接觸電阻和腐蝕電流顯著優于國外先進涂層，還通過了車用5000小時壽命考核。

在原創性研究的基礎上，交大團隊從2009年起與上汽集團、新源動力合作，實施了連續5期的燃料電池技術攻關項目。2015年，國內第一輛采用金屬雙極板的燃料電池轎車在上汽問世。迄今為止，這個產學研合作團隊已獲中國發明專利授權37件，申請PCT（專利合作條約）專利5件，編制國家標準13項。

教師辭職創業，推進產業化

交大團隊創辦企業，實現從科研到產業的轉化，也是他們成功的一個原因。2016年3月，上海治臻新能源裝備有限公司在臨港成立，成為國內第一家專注于金屬雙極板研發與制造的企業。這家企業的天使投資來自上汽創投，交大將10件雙極板核心專利轉讓給企業，讓這些發明成果在產業化道路上發揮出更大的價值。

上海治臻由上海交通大學科研團隊發起建立，是國內領先的燃料電池金屬雙極板供應商，公司擁有完全自主知識產權，專注于低成本、高性能的燃料電池金屬極板產業化，開發了燃料電池金屬極板流場設計、精密成形、高速焊接、高性能涂層等先進技術。公司擁有多項專利技術和國內一流水平的研發團隊，并打造了完整的燃料電池金屬極板生產線。

作為公司總經理，藍樹槐曾是交大教師。為了全身心投入產業化工作，他沒有選擇停薪留職，而是辭去了交大工作。“辦企業和做科研是兩回事。”談及自己的辭職創業，藍樹槐說，“如果我上午在交大上課，下午去公司辦公，這種狀態是不可持續的。”

在上海市科委和臨港集團的持續支持下，上海治臻2017年建成了國內首條具有自主知識產權的燃料電池金屬雙極板生產線，設計年產能達到50萬片以上，成為國內最大的金屬雙極板供應商之一。沖壓、焊接、涂層、密封、檢驗……在公司生產車間，解放日報·上觀新聞記者觀看了整個生產流程，這些國產雙極板已應用于國內10家整車制造企業。預計2021年6月，第二條年產數百萬片的生產線將建成，滿足日益增長的燃料電池市場需求。

上海治臻成立后，交大團隊培養的研究生也有了好去處。目前，公司有畢業于交大的4名博士和2名碩士。“我讀研究生時，一直在研究金屬雙極板。”姜天豪博士告訴記者，“畢業后來治臻工作，讓我實現了從學習到工作的無縫對接，立馬就能學以致用。”據了解，公司將繼續招聘來自各地高校的博士和碩士，擴充高水平研發隊伍，為進一步提升金屬雙極板性能和開拓市場應用奠定基礎。

欄目主編：黃海華

文字編輯：俞陶然

題圖來源：王美杰 繪制

文中長圖：王美杰 繪文中照片：賴鑫琳 攝

來源：上觀新聞