攻下金屬板燃料電池產業(yè)化重要“城池”

傅云峰(右一)與團隊討論問題。受訪者供圖

近日，上海驥翀氫能科技有限公司(以下簡稱驥翀氫能)成功研發(fā)COMPASS-S系列燃料電池備用電源。在驥翀氫能的金屬雙極板制造車間，一卷卷金屬板經激光焊接、涂層、密封，變成了一塊塊有規(guī)律排列著或直或曲紋路的金屬雙極板。

驥翀氫能聯(lián)合創(chuàng)始人傅云峰告訴《中國科學報》：“這些紋路形成了金屬雙極板‘兩板三腔’結構。這種結構是金屬雙極板的通道，為氫氣、氧氣和冷卻液提供進出、分配和發(fā)生化學反應的場所，是燃料電池電堆運行的基本結構單元。”

中科創(chuàng)星是驥翀氫能天使輪的投資方之一。“我們之所以選擇驥翀氫能，主要看中其團隊、技術和賽道。”中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊近日在接受《中國科學報》采訪時說。

機會的“種子”遇到合適的“土壤”

1999年，傅云峰考入清華大學攻讀碩士，其間接觸到鋰電池和燃料電池。隨著知識的積累，他發(fā)現(xiàn)動力電池有著巨大應用前景，是全球眾多化學家的研究重點。

“電池材料體系的研究‘深奧又迷人’，尤其是20世紀90年代，鋰電材料和燃料電池材料的研究突破，為電池商業(yè)化奠定了基礎，我覺得這是工程師們的機會。”就這樣，傅云峰在心中埋下了一顆機會的“種子”。

相比鋰電池，傅云峰認為燃料電池更前沿，前景更廣闊。從清華大學畢業(yè)后，傅云峰拿著燃料電池產業(yè)化項目申報書回到家鄉(xiāng)湖北，卻因項目太過前沿而受到“冷遇”。

隨后，傅云峰一路北上，最終加入中國燃料電池的搖籃——中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱大化所)的產業(yè)化平臺。傅云峰心中的“種子”終于遇到了合適的“土壤”，破土而出。

“別人能做到，我們也能做到”

2002年，傅云峰剛剛加入大化所產業(yè)化平臺時，石墨雙極板技術路線是行業(yè)主流。他隨即投入到了柔性石墨雙極板的技術開發(fā)中。

在國內相關設計和工藝空白、外部資料信息封鎖的情況下，傅云峰與團隊歷時5年，采用原創(chuàng)工藝技術完成了柔性石墨雙極板的小批量生產，成功實現(xiàn)50千瓦電堆模塊上車運行，并且參與了2008年北京奧運會燃料電池汽車的示范運營。

參與研發(fā)的技術能夠應用于世界矚目的盛會，對剛入行的傅云峰來說是極大的鼓舞。但他并沒有因此而停止前進的步伐，因為國內剛剛起步的燃料電池產業(yè)還有很多“真空地帶”等待探索。其中，金屬雙極板成型就是困擾行業(yè)的一大問題。

傅云峰告訴《中國科學報》，與石墨板路線相比，金屬雙極板更符合車用燃料電池電堆技術的主流方向。但當時國內金屬雙極板都是蝕刻成型，難以滿足批量化生產的環(huán)保性和一致性需求，在重量方面也體現(xiàn)不出金屬板的優(yōu)勢，只能停留在實驗室階段。

這一問題成為阻礙金屬板燃料電池產業(yè)化的一塊“大石頭”。在完全“空白”的情況下，傅云峰認為毫無頭緒地“埋頭苦干”不是辦法，應該首先了解先進經驗。

2005年，大化所有一次去日本調研的機會，傅云峰主動申請前往。在參觀中，一塊兩個板、三個腔(兩板三腔)的金屬板引起了他的注意，“不同于國內的蝕刻，這塊金屬板是以沖壓方式成型的”。

“兩個板子怎么沖壓形成了三個腔呢?”從日本回來后，這個問題一直困擾著傅云峰。

傅云峰和團隊在實驗中發(fā)現(xiàn)，沖壓成型時，為保證陰陽極板相互支撐和流體流動，陰陽極流場可交叉設計，形成陰陽極流場，而陰陽極板重合時凹陷部位相對、突起部位相對，通過黏結或者焊接，就可形成冷卻腔的密封。但問題也隨之而來，冷卻腔進出口因凹陷部位相對而封閉。

為解決這一難題，團隊成員不斷討論、實驗、測試，卻仍無進展。傅云峰提議跳出已有方案的圈子，回歸結構本身。在這一思路下，團隊最終利用雙極板“兩板”特性，提出了解決方案，于2007年在國內率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結構難題并申請相關專利。

2007年以前，“兩板三腔”結構是阻礙國內金屬雙極板燃料電池從實驗室走向產業(yè)化的一大難題，也是大部分研究燃料電池團隊希望解決卻遲遲未能突破的難題。傅云峰帶領團隊用兩年時間，在國內率先攻克薄型金屬雙極板“兩板三腔”結構，為金屬雙極板燃料電池的產業(yè)化“攻下一城”。

傅云峰解釋到，雙極板是燃料電池電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。因此，金屬雙極板“兩板三腔”結構難題是金屬板燃料電池產業(yè)化道路中的重要“城池”，它的解決為燃料電池從實驗室走向市場掃除了一個基本障礙。直到現(xiàn)在，市面上的沖壓成型金屬雙極板所沿用的還是這種“兩板三腔”結構方案。

這次經歷對傅云峰來說非常重要，讓他對中國燃料電池的產業(yè)化更有信心：“別人能做到，我們也能做到。”

用有限的條件創(chuàng)造事業(yè)

近幾年，氫能已成為新能源領域的一大“熱詞”。

隨著政策加持、資本入場，中國燃料電池產業(yè)化的進程不斷加快。這讓傅云峰切身感受到，投身多年的事業(yè)終于迎來了曙光。他像20年前一樣，毫不猶豫抓住這個機會，再次加入中國燃料電池產業(yè)化的大潮。

2018年12月，傅云峰作為聯(lián)合創(chuàng)始人，參與創(chuàng)立了驥翀氫能?；貞泟?chuàng)業(yè)初期，傅云峰最大的感受是艱苦，因為一切都是從頭開始，條件非常有限，場地、測試臺非常簡陋，人員也不充足。

就是在這樣的“有限條件”下，傅云峰參與并部分主持了MH170金屬雙極板燃料電池電堆的研發(fā)工作，將“兩板三腔”結構應用于其中。

2019年4月，驥翀氫能完成天使輪融資，投資方為中科創(chuàng)星與重塑科技。

米磊告訴《中國科學報》，他們之所以投資驥翀氫能，主要有以下幾個理由。從團隊來看，驥翀氫能的創(chuàng)始人及核心團隊均來自大化所，從業(yè)經驗和經歷都具有“稀缺性”;從技術來看，電堆相當于燃料電池的“心臟”，驥翀氫能具有相對成熟的電堆產品，實現(xiàn)了氫能源燃料領域的關鍵性突破;從賽道來看，以驥翀氫能為代表的自主創(chuàng)新型中國氫能企業(yè)的出現(xiàn)，有助于提升我國新能源產業(yè)發(fā)展，以應對國際競爭。

2020年，MH170燃料電池電堆問世，刷新了當時國內外金屬雙極板電堆功率和功率密度的紀錄。傅云峰20多年前埋藏在心中的“種子”終于開花結果了。

此后，MH170不斷突破，如今單堆額定功率已達到160千瓦，裸堆體積比功率密度4.7千瓦/升,可實現(xiàn)零下40攝氏度低溫存儲與無輔助啟動，兼具長壽命和低成本優(yōu)勢，在行業(yè)中具有明顯的競爭優(yōu)勢。

傅云峰向《中國科學報》透露，他正在研究一種比“兩板三腔”結構更先進的金屬雙極板結構方案，不久之后將實現(xiàn)在MH290電堆產品中的應用。