|   来新民  上海交通大学教授

作为前沿科技热词的代表之一，新能源汽车与人们的出行息息相关。眼下，全球汽车产业正进入转型升级的时期，汽车的生态环境正持续改善。

其中，发展氢能与燃料电池汽车成为全球共识。我国已将燃料电池汽车列入国家发展战略，预计2030年年产量将达百万辆。

在燃料电池汽车的所有部件中，由数百片金属极板以及膜电极装配而成的电堆，占到电堆系统60%的成本以及整车30%的成本，因此它是整车制造的核心，也是燃料电池的关键所在。

告别石墨，迎接金属双极板

在过去，燃料电池电堆主要采用石墨作为材料。而100kW电堆由400多片双极板和膜电极叠装而成。双极板占电堆体积80%，承载氢、氧、水三场传输和导电功能，细密流场具有跨尺度特征，要求微米级精度。

石墨双极板脆性大、难加工，厚度减薄已趋于极限，并暴露出功率密度低导致装不进、单堆功率小导致带不动、工作寿命短导致用不长、制造成本高导致买不到等一系列问题，可以说，石墨极板电堆性能遭遇瓶颈。

针对传统材料上的痛点，上海交通大学来新民教授自主研发了“高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术”，通过变革燃料电池核心部——金属双极板替代现有石墨双极板，突破大规模并联流场均匀传质、大面积细密流道微米精度控制等严峻技术挑战，发明薄型金属双极板设计与制造新方法、新工艺和新装备。该项目被评为2019年上海市科学技术发明奖特等奖项目。

在来新民看来，金属双极板的电堆更适合燃料电池乘用车。相对于碳来说，金属极板有着功率密度高、厚度薄、低热熔以及比较低的成本等几大优势。

“因此，金属双极板替代石墨双极板是实现车用电堆性能跃升的必由之路。”来新民谈道。

薄型金属双极板结构的“新风向”

虽然金属双极板具有许多优点，但是要作为电堆，这项技术面临着许多挑战。

基于车用电堆需要“高功率密度、大功率输出、长寿命运行、低成本制造”的要求，所以技术上的难点有：需要极板厚度小于1mm，精度高，耐腐蚀，效率高。

“针对这些难点，我们在极板的精度、功率、材料使用上取得了突破。”来新民和他的团队秉持着“十年磨一剑”的专研精神，创新研发了“两板三场”薄型金属双极板新结构，该结构通过冲压件的间隔支撑和错层密封形成翻转的流场，采用两个冲压件形成独立联通的氢、氧、水三个流场。基于“两板三场”结构，发明氢、氧、水流场的新型分配形式，创造出三代12款金属双极板，通过板厚减薄和流场匀化实现双极板性能更新换代。

来新民表示，此前人们之所以要用三板，是因为金属板需要承载氢、氧、水三种流场互不干扰的流通，抽掉中间一层隔板后，必须要通过结构创新让处在同一空间中的不同物质各走各道，难度可想而知。

2005年起，上海交大、新源动力、上汽集团组成联合攻关团队，终于在2008年推出了“两板三场”金属双极板，不仅单片厚度降低52%，电堆功率提高到原来的2.4倍，更实现了400片电池电堆在轿车前舱的成功布置。

|高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术

另一方面，“在涂层工艺上，国际上普遍使用钛合金，但由于中国缺钛，我们选择使用不锈钢代替。”来新民介绍，其研发的钛—铬—氮—碳等多元复合涂层，提出材料梯度过渡及纳米孔抑制技术，通过致密复合膜层实现高耐蚀、纳米点实现高导电。同时，接触电阻和腐蚀电流显著优于其他涂层性能，并且在国内通过车用5000小时寿命考核，满足10年使用寿命要求。

此外，该项目还具有金属极板多工序精密成形工艺、金属双极板多品种连续化制造等技术创新点，使流道深度精度提高4倍，极板成形开裂的废品率从30%降低至0.5%，涂层效率提升8倍。

目前，来新民的团队在上海交通大学的支持下，与上海治臻新能源装备有限公司进行产学研合作，建成首条多品种金属极板全工艺流程生产线，建立极板质量控制系统，成为全国少数通过IATF16949质量认证的项目。

来新民表示，在研发的过程中，获得了许多科技政策的支持，包括国家自然科学基金项目、上海市科技创新行动计划项目、国家重点研发计划项目、上汽集团燃料电池技术攻关项目。随着上海市科委不断加大对项目研发的投入力度，临港集团也给予了大力支持，上海治臻从不到10人的小公司成长到员工80余人。如今，公司建成了年产50万片金属双极板全流程生产线，占据国内氢能源燃料电池市场很大的份额。

作为产品的S100、S200、S300等三代12款金属双极板，已应用于上汽、广汽、长城、东风等国内主要燃料电池汽车企业，迄今累计生产50万片，并确定了上汽批量化定点订单。

业内评价方面，“两板三场”金属极板燃料电池在2019年世界新能源汽车大会上被评为代表新能源汽车方向的八项前沿技术之一。

眼下，“高功率密度燃料电池薄型金属双极板”已建立全套的金属极板制造技术体系，可以预期，伴随着落地和推广应用，该项技术将有望打破国外垄断，为燃料电池核心部件自主可控奠定了坚实基础。