?

邵志剛（右一）指導團隊成員做實驗。袁秀忠攝

■本報記者 卜葉

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)氫燃料電池由中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）燃料電池研究部部長邵志剛團隊研制。

“此前，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化只能依靠引進技術或購買核心部件，這大大影響了其國產(chǎn)化的步伐?！鄙壑緞傉f，“我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)急需突破核心技術，打造示范性應用，讓實驗室成果走向工廠車間。”

自2005年回國后，邵志剛擔任大連化物所氫燃料電池研究團隊負責人。他鉚足了勁，誓要攻克核心技術難題，帶領團隊蹚出一條產(chǎn)業(yè)化之路。

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，即可產(chǎn)生源源不斷的電能。

理論聽起來很完美，應用卻遇到很多問題。第一個坎是氫燃料電池的核心——電堆，遠遠看像個“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構成的復合板組成，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難點。

“傳統(tǒng)一代”已進入產(chǎn)業(yè)化，“新一代”猶如待墾荒原。邵志剛帶領團隊迎難而上，攻克純金屬雙極板產(chǎn)業(yè)應用難題。

很快，研究團隊就遭遇第一個攔路虎——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？大連化物所研究員侯明介紹，工程技術專家或許認為沖壓非常簡單，但雙極板的沖壓對精度的要求極高，有些想法即便能設計出來，也未必能加工出來；一個模具動輒兩三百萬元的成本，也讓團隊不敢貿(mào)然出手。

為攻克金屬雙極板高精密加工工藝，研究團隊反復計算、模擬、設計、小試，并與企業(yè)開展產(chǎn)學研合作，通過近16年7代模具的技術迭代，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?！斑@項技術采用不銹鋼雙極板，較國外使用的鈦金屬雙極板，技術難度更高，但成本大幅下降?！鄙壑緞傉f。

膜電極有7層，中間是質(zhì)子交換膜，膜兩側是催化層。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構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，由此引發(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隊的拳頭產(chǎn)品。團隊通過逆向思考，將質(zhì)子交換膜用在電解水制氫過程中，獲得較高純度的氫氣。此舉一舉兩得，同時解決了用氫和制氫兩個問題。

一步一個腳印，在方寸大的“戰(zhàn)場”上，團隊連續(xù)突破了高性能催化劑、增強復合膜、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，并基于這些核心技術開發(fā)出新一代氫燃料電池。該電池的比功率從最初的1千瓦每升提高至4千瓦每升，已達到國際先進水平。

“研究氫燃料電池的團隊很多，但能做好的卻很少。因為氫燃料電池技術體系非常復雜，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?！焙蠲髡f。

邁向終極目標

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

2017年以來，團隊建立了研發(fā)基地、中試基地、產(chǎn)業(yè)化基地的完整布局。邵志剛收到的企業(yè)名片裝滿了一個盒子又一個盒子，這也讓更多企業(yè)認識到新一代氫燃料電池的優(yōu)越性。

但“新一代”的產(chǎn)業(yè)化并不如預期的順利，邵志剛發(fā)現(xiàn)，由于產(chǎn)業(yè)鏈太長，參與方過多，技術的鋪開速度較預期慢，甚至有推進不下去的時候。于是，團隊尋找伙伴也更謹慎。

2017年，經(jīng)過反復考察，邵志剛團隊將基于薄層金屬雙極板的氫燃料電池電堆專利技術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、組裝等八大工藝。“我們的生產(chǎn)線經(jīng)歷了反復的持續(xù)改進”。安徽明天董事長王朝云介紹，當時，所有設備生產(chǎn)線的安裝調(diào)試，在國內(nèi)沒有任何參考和對標標準，完全靠自主設計與研發(fā)。秉持著“不行從頭再來”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，搭載邵志剛團隊核心技術的氫燃料電池公交車正式上線。該電池不僅可應用于乘用車領域，在商用車等領域也具備廣闊的應用前景。

與安徽明天的合作，也讓新一代氫燃料電池技術及應用向前邁進了一大步。目前，團隊已經(jīng)探索出技術開發(fā)、技術許可、技術入股等靈活的產(chǎn)業(yè)化方式，并成功與國家電網(wǎng)、陽光電源等進行產(chǎn)業(yè)化合作。

“只靠政策扶植，氫燃料電池跑不遠，只有讓氫燃料電池好用起來，產(chǎn)業(yè)才會強大。團隊的終極目標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?！鄙壑緞傉f。

一甲子的續(xù)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。

如今，氫燃料電池汽車的使用，國際正在看中國。“氫燃料電池技術更新、迭代很快，一旦團隊產(chǎn)業(yè)化的速度落后于市場，多年研究價值就會大大降低。”邵志剛稱自己和團隊面臨的壓力很大。

侯明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，但團隊成員從來沒有如釋重負的感覺，一直保持著領先的緊迫感和創(chuàng)新的使命感。他調(diào)侃道：“我們的周六不叫加班，叫上班?！?/p>

20世紀60年代，大連化物所就開展氫燃料電池技術和應用的研究。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，氫燃料電池技術研發(fā)及應用是一項復雜的工程，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?！拔覀儸F(xiàn)在取得的成績與中國工程院院士衣寶廉等老一輩科研人員建立的基礎和指導不無關系。”邵志剛說。

侯明介紹，衣寶廉院士有豐富的項目經(jīng)驗，直到現(xiàn)在團隊有解決不了的問題還會向他請教。衣院士總是耐心細致地給予分析，提出有效解決方案?！懊慨斒斋@成果時，我們也會第一時間跟衣院士分享”。

截至2020年9月，團隊已轉(zhuǎn)化專利20件，牽頭或參與制定國家標準32件，牽頭制定國際標準1件，促進了氫燃料電池技術的國產(chǎn)化進程。

繁忙的工作讓剛知天命的邵志剛兩鬢斑白，2020年的腰疾復發(fā)又讓他一度難以久坐，但這并沒有阻擋他繼續(xù)帶領團隊前進的腳步。

近年來，團隊培養(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)輸送了大批技術領軍人才，將接續(xù)的“火種”撒向全國。

侯明介紹，除了培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，團隊也很重視技術、工程思維的培養(yǎng)。“我們的學生跟實際聯(lián)系很密切，課題源于實際需要，接受的是實戰(zhàn)訓練，進入企業(yè)就能解決問題?！?/p> 《中國科學報》 (2021-02-10 第3版 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化)



關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識