10月23日，上海市科学技术奖再度揭晓。胸怀“国之大者”，坚持“四个面向”，一大批标志性成果竞相涌现，为正处于关键跃升期的上海国际科技创新中心建设增添底色和亮度。

 

2023年度上海市科学技术一等奖获奖项目优秀创新成果来啦！本栏目以“强国复兴有我”为主题，重点围绕项目要解决的问题、取得的重要创新、实际应用效果等方面，向社会公众作科普宣传。

本期“档案”大揭秘

项目名称：高功率车用燃料电池电堆关键技术及产业化应用

完成单位：上海交通大学

完 成 人：易培云 等

奖励等级：科技进步一等奖

 

自“碳达峰、碳中和”目标提出以来，我国持续推进产业结构和能源结构调整，大力发展可再生能源，努力兼顾经济发展和绿色转型同步进行。氢能作为一种清洁高效、灵活且可储可输的二次能源，是推动传统化石能源（煤、石油等）清洁高效利用和支撑可再生能源（风能、太阳能等）大规模发展的理想互联媒介。氢燃料电池作为氢能利用的主要装置，通过电化学反应将氢气与氧气反应，将存储的化学能转化为电能，生成物只有水，具有能量密度高、转化效率高、零碳排放等优点，在交通工具、分布式电站、便携式电源等领域具有广泛的前景，预计2030年燃料电池汽车的保有量将达到百万辆。因此，国家发布了《关于开展燃料电池汽车示范应用通知》，使我国燃料电池汽车发展进入提速关键期。上海作为首批入选的示范城市群，是全国产业链最全、最具优势的区域。

 

然而，燃料电池电堆作为燃料电池汽车的“心脏”，在起初阶段功率密度不足1.5 kW/L，庞大的体积导致车辆难以布局；输出功率40-60 kW，难以满足汽车的动力需求。大功率电堆的高性能设计与高效高一致性制造是国际社会面临的共同挑战，亟需解决诸多的技术瓶颈：①燃料电池要达到传统发动机相当的功率，如何在狭小空间内实现体积功率密度的提升？②燃料电池电堆是典型的水桶效应问题，单电池电压一致性要求高，如何避免某节电池的电压单低？③高功率电堆由上千层部件层叠装配，部件面积大、柔性低，如何同时保证电堆的叠装精度及效率？

 

上海交通大学薄板结构制造研究所易培云教授带领的研究团队历经15余年产学研攻关，实现了理论研究-技术突破-装备研制的全链条创新，攻克了高密度电堆设计、高性能膜电极、高精度双极板和高效率电堆叠装四大核心技术。形成了系统的高功率电堆设计制造理论与技术，应用于多家企业的20余个型号的电堆，开发的300kW级电堆，体积功率密度达6.2kW/L，入选2023年度世界新能源汽车大会十大“全球新能源汽车创新技术”、2024年度上海市“十大绿色低碳创新技术产品”等。研究成果广泛应用于乘用车、公交车、重卡等多个领域，并实现海外出口。

 

大功率燃料电池电堆

 

01

创新流场结构，突破高功率密度极限

 

燃料电池通常布置在车辆前舱，对体积要求十分严苛。通过提高反应区域的电流密度从而提升电堆体积功率密度是国际主流发展方向。然而，电流密度的提升导致反应气体、产物水和产热的激增，引发电池内部水淹，导致局部反应区域欠气，甚至“热点烧蚀”，严重制约了电堆功率输出。

 

针对上述难题，研究团队突破传统的流场设计，发明了纵向“槽蜿蜒”与横向“脊蜿蜒”的“双向蜿蜒”强化水-气传输新方法，通过纵向蜿蜒产生脊下流速推动水进入流道，横向蜿蜒提升流速冲刷流道积水从而避免槽内水塞积，大幅提升脊下排水能力。针对散热问题，发明复合分流结构提升分配区冷却的均匀性，结合蜿蜒细密化的流场设计大幅提升流场区热交换面积。新构型可以有效解决电堆的产水、产热难以有效排出的问题，使得体积功率密度达到6.2kW/L。

 

 

燃料电池水气分配流场

 

02

建立多步成形方法，

突破电堆叠装片数的极限

 

为了满足车用动力的功率和输出电压要求，燃料电池电堆通常由数百片双极板和膜电极叠装而成。装配节数越多，电堆功率越高。电堆装配节数主要取决于核心部件—双极板的制造精度。然而，传统单步冲压成形难以满足项目团队新发明的蜿蜒细密化的金属双极板，导致成形的极板开裂严重、精度失控，严重限制了电堆的装配节数和输出功率。

 

针对上述难题，研究团队开发了超薄金属板三步成形的技术，分散失稳点、抑制成形开裂，大幅提升了流道深宽比。结合成形模具型面补偿的方案，蜿蜒流道高度误差降至±10μm。此外，为了提升金属极板的排水能力和抗腐蚀能力，团队发明了多元复合、多层梯度的“体相耐蚀-表相导电”超亲水碳涂层，经过超10000小时的耐久性测试，各方面技术指标仍大幅优于美国能源部（DOE）的要求。高精度、长寿命的金属极板可以支撑电堆装配到550节以上，开发出国际功率最大的316kW电堆。

 

 

金属双极板成形

 

03

开发装配新工艺，

突破电堆单节一致性极限

 

数百节单池电压的一致性是燃料电池的关键性能指标，任一单池电压偏低将造成燃料电池整机失效，是典型的水桶效应问题。实验表明在双极板、膜电极等质量稳定条件下，单池电压一致性主要取决于叠装工艺控制，数百层界面的非均匀接触是影响电压偏差的主要因素，部件叠装的错位偏差累积加剧了这种不均匀性。然而，上千层薄板部件刚度低，叠放误差大，压缩错位大，难以满足高一致性需求。团队研发的双向蜿蜒流场性能要求高，对装配错位更加敏感。

 

针对以上难题，研究团队提出1面6杆定位新方法，通过三固定杆实现叠装部件侧边的连续定位，三浮动杆通过力控自适应地保证部件与三固定杆的紧密接触，从而克服大行程压紧过程中的错位，使得节间偏差降至±16μm。此外，团队改变传统的随机性装配方法，对误差繁多的极板和膜电极进行了分组及型面匹配，大幅提升单池界面接触的均匀性。实验结果表明，550节叠装的燃料电池电堆电压极差做到了小于20mV的国际先进水平。

 

 

大功率电堆装配一致性测量

 

04

建设批量产线，

突破生产效率极限

 

燃料电池制造需要在一个工位上完成上千零部件的顺序组装，在3-4秒内完成部件的抓取-搬运-定位循环。同时，为保证电堆的可靠性，双极板和膜电极通常100%的检测，在生产线节拍内完成快速检测是必须突破的技术瓶颈。然而，燃料电池作为一种新型能源转化装置，并没有成熟的批量制造设备和工艺。

 

针对以上难题，研究团队研制出国内首台双机器人码垛叠装的电堆自动化装配系统，解决了双极板与膜电极在高加速度搬运过程中的抖动抑制和效率之间的矛盾。集成自主研制的高效率气密性检验、高精度型面检验、智能化立体仓库和燃料电池自动化叠装等30余台套装备，研制出贯通高效检验-立库分级-自动装配-快速活化全流程的年产1万套电堆批量生产线，通过了汽车行业IATF16949国际认证。

 

 

燃料电池批量生产线

 

上海交通大学薄板结构制造研究所研究团队完成的高功率电堆设计制造理论与技术，解决了燃料电池批量应有的诸多难题，应用于多家企业的量产电堆，支撑多型号的氢能重卡批量应用于雄安新区、山西吕梁等场景。不仅如此，研究团队积极探索“产学研”合作新模式，打通燃料电池创新成果产业化最后一公里，孵化出上海氢晨新能源科技有限公司、上海治臻新能源股份有限公司、律致新能源科技(上海)有限公司等燃料电池相关企业，落地临港，支撑上海“国际氢能谷”的建设，成果入选2023年国家优秀推广案例。瞄准未来，研究团队将继续深耕氢能及燃料电池的关键技术突破及产业化应用，为燃料电池在多领域的推广应用贡献力量。