攻下金屬板燃料電池產業化重要“城池”

傅云峰（右一）與團隊討論問題（受訪者供圖）

近日，上海驥翀氫能科技有限公司（以下簡稱驥翀氫能）成功研發COMPASS—S系列燃料電池備用電源。在稱驥翀氫能的金屬雙極板制造車間，一卷卷金屬板經激光焊接、涂層、密封，變成了一塊塊規律排列著或直或曲紋路的金屬雙極板。

驥翀氫能聯合創始人傅云峰告訴《中國科學報》說：“這些紋路形成了金屬雙極板‘兩板三腔’結構，實際上就是金屬雙極板的通道，為氫氣、氧氣和冷卻液提供進出、分配和發生化學反應的場所，是燃料電池電堆運行的基本結構單元。”

2007年以前，“兩板三腔”結構是阻礙國內金屬雙極板燃料電池從實驗室走向產業化的一大難題，也是幾乎大部分研究燃料電池的團隊希望解決、卻遲遲沒有突破的難題。

傅云峰帶領團隊用兩年時間，在國內率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結構，為金屬雙極板燃料電池的產業化“攻下一城”。

機會的“種子”遇到合適的“土壤”

1999年，傅云峰考入清華大學攻讀碩士研究生，期間接觸到鋰電池和燃料電池。隨著知識的積累，他發現動力電池有著巨大應用前景，是全世界眾多化學家的研究重點。

“電池材料體系的研究‘深奧又迷人’，尤其是20世紀90年代，鋰電材料和燃料電池材料的研究突破為商業化奠定了基礎，我覺得這是工程師們的機會。”就這樣，傅云峰的心中埋下了一顆機會的“種子”。

相比鋰電池而言，傅云峰認為燃料電池更前沿，前景也更廣闊。從清華大學畢業后，傅云峰拿著燃料電池產業化的項目申報書回到家鄉湖北，卻因為行業太過前沿而受到了“冷遇”，但這并沒有影響傅云峰走上燃料電池產業化道路的堅定信念。

隨后，傅云峰一路北上，最終加入中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大化所）的產業化平臺，大化所是中國燃料電池的搖籃。傅云峰心中的“種子”終于遇到了合適的“土壤”，蓄勢而出。

“別人能做到，我們也能做到”

2002年，傅云峰剛剛加入大化所產業化平臺時，石墨雙極板技術路線是行業主流，他隨即投入到了柔性石墨雙極板的技術開發中。

在國內相關設計和工藝空白、外部資料信息封鎖的情況下，傅云峰與團隊歷時5年，采用原創工藝技術完成了柔性石墨雙極板的小批量生產，成功實現50千瓦電堆模塊上車運行，并且參與了2008年北京奧運會燃料電池汽車的示范運營。

參與研發的技術能夠應用于世界矚目的盛會，對剛入行的傅云峰來說是極大的鼓舞。但他并沒有因此而停止前進的步伐，因為國內剛剛起步的燃料電池產業還有很多“真空地帶”等待探索。其中，金屬雙極板成型就是困擾行業的一大問題。

傅云峰告訴《中國科學報》，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的主流方向，但當時，國內金屬雙極板都是蝕刻成型，難以滿足批量化生產的環保性和一致性需求，在重量方面也體現不出金屬板的優勢，只能停留在實驗室中。

這一問題成為阻礙金屬板燃料電池產業化的一塊“大石頭”，全行業都在嘗試解決，傅云峰也不例外。在完全“空白”的情況下，傅云峰認為毫無頭緒地“埋頭苦干”不是辦法，應該首先了解先進經驗。

2005年，大化所有一次日本調研的機會，傅云峰主動申請前往。在參觀中，一塊兩個板、三個腔（兩板三腔）的金屬板引起了傅云峰的注意：“不同于國內的蝕刻，這塊金屬板是以沖壓方式成型的。”

“兩個板子怎么沖壓形成了三個腔呢？”從日本回來后，這個問題一直困擾著傅云峰。

傅云峰和團隊在實驗中發現，沖壓成型時，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計，形成陰陽極流場，而陰陽極板重合時凹陷部位相對、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，冷卻腔進出口因凹陷部位相對而封閉。

為了解決這個難題，團隊成員不斷討論、實驗、測試，苦苦思索沒有進展時，傅云峰提議跳出已有方案的圈子，回歸結構本身。在這一思路之下，團隊最終利用雙極板“兩板”特性，提出了解決方案，于2007年在國內率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結構難題并申請相關ZL。

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”結構難題是金屬板燃料電池產業化道路中的重要“城池”，它的解決為燃料電池的從實驗室走向市場掃除了一個基本障礙。直到現在，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”結構方案。

這次經歷對傅云峰來說非常重要，讓他對中國燃料電池的產業化更有信心：“別人能做到，我們也能做到。”

用有限的條件創造事業

近幾年，燃料電池產業化領域不斷積累的技術突破終于迎來“歷史的轉折”，氫能已成為新能源領域的一大“熱詞”。政策加持、資本入場，中國燃料電池產業化的進程不斷加快。

傅云峰感到，投身多年的事業終于迎來了曙光，他像20年前一樣，毫不猶豫抓住這個機會，再次加入中國燃料電池產業化的大潮。

2018年12月，傅云峰作為聯合創始人，參與創立了驥翀氫能。回憶創業初期，傅云峰最大的感受是艱苦，因為一切都是從頭開始，條件非常有限，場地、測試臺非常簡陋，人員也不充足。他認為，正是因為條件“有限”，才有更多的發揮空間，才更有機會“創造事業”。

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工作，將“兩板三腔”結構應用于其中。

2020年，MH170燃料電池電堆問世，刷新了當時國內外金屬雙極板電堆功率和功率密度的紀錄。傅云峰感受到20多年前埋藏在心中的“種子”終于要開花結果了。

此后，MH170不斷突破，如今單堆額定功率已達到了160千瓦，裸堆體積比功率密度4.7千瓦/升,可實現零下40攝氏度低溫存儲與無輔助啟動，兼具長壽命和低成本優勢，在行業中具有明顯的競爭優勢。