财政部等五部门近日发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，通过“以奖代补”方式，对入围示范的城市群按照目标完成情况给予奖励。这让我国燃料电池汽车及氢能产业迎来了加速发展的风口期。
奖励政策出台后没几天，上海氢晨新能源科技有限公司就发布了车规级H2150F质子交换膜燃料电池电堆。这款电堆的峰值功率达到150千瓦，功率密度为3.5千瓦/升，通过全部车用设计验证。“2014年，丰田推出Mirai时，国产车规级燃料电池和日本的差距很大。”上海氢晨总经理、上海交通大学副教授易培云说，“而现在，我们自主研发的电堆已达到国际先进水平。”
为何能实现国际“并跑”？解放日报·上观新闻记者采访了解到，交大团队的基础研究取得“从0到1”的原始创新突破，上海市智能制造研发与转化功能型平台推动“从1到10”的科技成果转化，是氢晨、治臻、唐锋三家企业掌握燃料电池关键核心技术的两大原因。
极板“中国方案”源自原创构想
燃料电池以氢气和空气中的氧气为原料，通过化学反应将氢气中的能量转换成电能，唯一产物是水，不会造成空气污染。业界认为，加注氢气的燃料电池汽车是汽车未来发展的一种“终极形态”，不过与纯电动汽车相比，这种新能源汽车的商业化进程比较慢。当前，燃料电池汽车发展的重点方向是中远途、中重型商用车，因为它们加注氢气的时间比纯电动汽车充电短得多，续航里程更长，适合做卡车、客车等商用车，从而大幅减少交通污染。
15年前，尽管燃料电池的产业价值还不明朗，交大机械与动力工程学院薄板结构制造研究所就开始了双极板研发。这是燃料电池的一个核心部件，占电堆体积的80%，承载着氢气场、氧气场、冷却液流场“三场”的传输和导电功能。近年来，日本、欧洲企业研制出了钛合金双极板，如果中国企业无法制造这种部件，就只能依赖进口。好在交大孵化的上海治臻新能源装备有限公司，已实现不锈钢双极板的大批量生产。“我们目前的产能是1000台车/年，计划明年把产能提高到5000台车/年。”治臻总经理蓝树槐博士说。
与采用“三板三场”结构的进口钛合金双极板不同，国产不锈钢双极板的结构是“两板三场”，这一结构设计被誉为“中国方案”。来新民教授表示，“两板三场”是交大团队提出的原创构想。阳极板、隔板、阴极板“三板”的用料比较多，不但增加了成本，还会影响燃料电池的功率密度，可否把中间的隔板去掉？经过持续数年的基础研究，他们提出了“间隔连通—错位密封”新原理，使氢气、氧气等气体进入极板分配区后，能自行翻过流场，从而省去了隔板。这一成果获得2019年度上海市技术发明奖特等奖。
十年多学科攻关取得多项突破
超薄双极板的介观制造新工艺、不锈钢基底上的复合纳米涂层，也是交大团队的原始创新成果。
一块极板的厚度仅为75微米左右，比纸还薄，要在板上冲压出密密麻麻的流道，让氢气、氧气和冷却液在那里传输，其技术难度可想而知。“为解决一冲压就裂的难题，我们做了10年基础研究和工程验证。”蓝树槐说，经过机械、流体力学、工程热力学等多学科交叉攻关，交大团队通过微细成形过程仿真模型，梯度圆角设计、应力积分回弹补偿等微细成形工艺设计，开发出不同于宏观制造的介观制造新工艺。检测报告显示，超薄金属双极板制造工艺的误差控制在10微米以内。
在“十年磨一剑”过程中，交大还组建了机械、材料、化学等多学科团队，摸索设计出一种包含钛、铬、氮、碳等多种元素的复合涂层。其层数多达二三十层，总厚度却不到200纳米，具有高耐蚀、高导电性能。覆盖这种涂层的不锈钢双极板，通过了5000小时车载寿命测试。
除了双极板，膜电极也是燃料电池的核心部件。阳极板和阴极板之间夹一片膜电极，就组成一节“三明治”结构的燃料电池。膜电极的电化学反应需要以铂为催化剂，铂俗称白金，价格高昂。为了降低铂载量，交大燃料电池研究所所长章俊良教授带领团队取得重要突破，研制出适合车用工况的合金催化剂，其铂载量较传统的铂碳催化剂大幅减少。2017年上海唐锋能源科技有限公司成立后，这些实验室成果逐步转化成了产品。唐锋临港生产基地厂长李培松介绍，公司的膜电极年产能已达到80万片以上，批量应用于商用车和乘用车，铂载量达到国际先进水平。
临港为氢能产业提供应用场景
掌握了双极板、膜电极的关键核心技术，氢晨应时而生。治臻和唐锋都是这家企业的上游供应商，氢晨将国产双极板和膜电极组装成燃料电池电堆，每台电堆由400副双极板和400片膜电极层叠装配而成。
在上海市智能制造功能型平台和临港集团的支持下，氢晨首条自动化生产线近日在自贸区临港新片区建成投产。功能型平台总经理、交大教授习俊通介绍，这条生产线具备智能制造特征，基本实现了物流、控制流、数据流“三流合一”。例如在双极板和膜电极的匹配方面，每个部件都有二维码，扫描后即可知道它的编号和各项参数。根据这些参数，后台通过数字孪生技术实现自动匹配，让每副双极板都能找到最适合它的膜电极“伴侣”，使电堆加工性能达到其设计性能。
上海市智能制造功能型平台还参与孵化了治臻、唐锋、氢晨三家“交大系”企业，通过团队控股、平台持股、社会资本入股、职业经理人运营的孵化模式，推动产品链、技术链、产业链协同创新，让企业快速完成了“从1到10”的科技成果转化，进入“从10到100”的发展壮大阶段。
随着《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》发布，这三家掌握关键核心技术、形成产业链上下游关系的企业迎来了产业风口期。“氢晨生产的H2系列电堆主要用于重卡、轻型卡车、公交车等商用车，也用于舰船和发电。”易培云告诉记者，“公司产能计划今年底扩大到1万台/年，2021年底达到5万台/年。”