氢燃料电池|氢燃料电池：解密小世界赋能大乾坤
近日，中国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号通过试航 。“蠡湖”号搭载的国产氢燃料电池正来自于中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）燃料电池研究部部长邵志刚团队 。
“以前，氢燃料电池关键核心技术主要靠进口，引进技术或购买核心部件，大大影响了氢燃料电池产业化的步伐 。”邵志刚说，“氢燃料电池产业急需突破核心技术，打造示范性应用，让实验室成果走向工厂车间 。”
自2005年回国后，邵志刚担任大连化物所氢燃料电池研究团队负责人，从那时起，他铆足了劲，誓要攻克核心技术难题，带领团队蹚出一条产业化之路 。近日，中国科学院2020年度科技促进发展奖（以下简称科发奖）获奖名单公布，邵志刚团队的“新一代氢燃料电池技术及应用”赫然在列 。
决战方寸之间
氢燃料电池是能源界的“绩优股” 。相较于火力发电将化学能转化为机械能、再转化为电能，氢燃料电池直接将化学能转化为电能，将能效从20%左右提升到50%以上 。
对比普通储能电池，氢燃料电池更像一座小型发电厂，只要保持氢能和氧气的供应，即可产生源源不断的电能 。
理论上很完美，现实应用却有很多问题，电堆是科研团队绕不开的坎儿 。电堆是氢燃料电池的核心，远远看像个“大疙瘩”，主要包括双极板和膜电极两部分 。
传统双极板由石墨板或石墨与金属组成的复合板组成，所占空间较大，纯金属双极板体积更小、质量更轻、更耐低温、成本更低，但涂层材料、成型工艺等均存在国际性技术难点 。
“传统一代”已进入产业化，“新一代”犹如待垦荒原 。在此之际，研究团队毅然决然迎难而上，拓垦荒原，攻克纯金属双极板产业应用难题 。
很快，研究团队遭遇了拦路虎 。如何在亚毫米级的金属薄板上精密加工出微米级精度的流场，让研究团队犯了难 。侯明介绍，工程技术专家或许认为冲压非常简单，但双极板的冲压对精度的要求极高，有些想法即便能设计出来，也未必能加工出来；一个模具动辄两三百万的成本，也让团队不敢贸然出手 。
为攻克金属双极板高精密加工工艺，研究团队反复计算、模拟、设计、小试，并与企业开展产学研合作 。通过近16年7代模具的技术迭代，最终掌握了薄层不锈钢金属双极板的高精度冲压成型工艺 。
“这项技术采用不锈钢双极板，较国外使用的钛金属双极板，技术难度更高，但成本大幅下降，具有广阔的推广前景 。”邵志刚说 。
膜电极有7层，中间是质子交换膜，膜两侧是催化层 。从1996年起从事质子交换膜燃料电池研究，邵志刚对膜电极的结构和工作原理了如指掌 。他介绍，在催化剂作用下，氢气分解成电子和质子，电子形成电能，质子通过质子交换膜与氧离子结合生成水 。质子交换膜的作用就是只允许质子通过，防止氢气和氧气直接碰面，而引发危险 。
经过多年的探索和改良，如今，膜电极已成为邵志刚团队的拿手好戏 。同时，团队逆向思考，将质子交换膜用在电解水制氢过程中，隔离氢气与氧气，获得较高纯度的氢气 。一举两得，同时解决了用氢和制氢两个问题 。
一步一个脚印，在方寸之大的“战场”，团队连续突破了高性能催化剂、增强复合膜、高性能低铂膜电极、耐蚀薄层金属双极板、高比功率电堆、耐低温系统集成及质子交换膜高效电解水制氢等核心技术，并基于这些核心技术开发出新一代氢燃料电池 。该电池的比功率从最初的1千瓦每升提升到4千瓦每升，达到国际先进水平 。
“研究氢燃料电池的团队很多，但能做好的却很少 。因为氢燃料电池技术体系非常复杂，需要各个子系统同时提升，才能换来整体性能的质的飞跃 。”大连化物所研究员侯明说 。
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