研发纯金属材料已经成为国际燃料汽车电池领域新趋势

    “在汽车零部件中拆下任何一个冲压件，都找不到表面特性有这么复杂的。”上汽集团新能源和技术管理部燃料电池系统部总监陈雪松介绍说，由多块金属双极板组合而成的电堆，将成为未来燃料电池汽车的动力引擎。

    目前，这块凝结着上海汽车集团、上海交通大学以及大连新源动力产学研三方合作的金属双极板，已完成第二批样品的制造。按照上汽集团的规划，到2015年，搭载着金属双极板的燃料电池汽车将达到千辆级的产量规模。

    研发金属双极板为国际趋势

    在催化剂的作用下，氢气和氧气发生化学反应，并将能量转化为电能，燃料电池就是由此原理驱动汽车前行。由于效率高、零排放，燃料电池汽车被认为是新能源汽车领域最为环保的技术路线。

    陈雪松表示，燃料电池中最关键的部件当属电堆，而双极板则是其核心部件之一。目前双极板较多采用的材料是石墨，但由于其机械性能、制造成本等方面存在先天劣势，研发纯金属材料的双极板已经成为国际燃料汽车领域的新趋势。

    陈雪松介绍说，制造金属双极板的技术难点在于冲压金属薄板的过程中，如何保证成形精度和一致性，同时还需要解决其焊接变形和表面防腐的问题。为此，上汽集团为燃料电池设立的三大关键零部件研究专项中，金属双极板就位列其中。

    上汽集团新能源和技术管理部燃料电池系统开发工程师方亮介绍，由于金属双极板使用的不锈钢材料相较传统的石墨更为便宜，加之采用冲压这一加工工艺，成本相较石墨材料能降低三分之一到四分之一。

    根据上汽集团的规划，2015年将形成千辆级别的燃料电池汽车产量，这也意味着金属双极板的产量需达到十万片的量级。

    产学研结合已是交大传统

    上海交通大学机械与动力工程学院复杂薄板结构数字化制造实验室内，展示着不同时期研发的金属双极板样片和压制模具。作为金属双极板项目的合作方，该实验室承担着双极板的制模、压制、焊接等关键工序，实验室有5名教师和10多名博士、硕士生。

    “从1996至今，林忠钦教授带领团队和上汽保持密切合作，产学研结合是有传统的。”上海交通大学机械与动力工程学院教授来新民说。在此次金属双极板项目合作之前，上海交大和上汽集团在汽车制造领域早有产学研合作先例。

    陈雪松表示，上汽作为整车企业，能独立开发的零部件毕竟有限，而上海交大在金属薄板微细冲压成形这一领域处于国内领先水平。“同样是正在研发燃料电池的国外公司，其团队的人力和研究经费相比我们多，在这种情况下进行双极板的自主开发，就必须借用外部资源。”陈雪松告诉记者。

    2005年前后，复杂薄板结构数字化制造实验室已经将研究重点转向极板成形，并进行了多项基础研究工作。

“此后正好赶上上汽集团的新能源项目，产学研合作也就水到渠成了。”来新民表示。

    2011年1月，车用金属双极板研发立项，由上汽集团、上海交大和新源动力三方合作，并共享研究成果。就具体分工而言，上汽集团提出双极板的厚度、平整度、防腐性等技术要求，新源动力负责金属板设计和表面处理，上海交大则承担冲压、焊接。

    学生因参与项目赢得“挑战杯”

    在40厘米长、10厘米宽，厚度仅为0.1毫米的金属薄片原材料上，压制出1毫米左右的致密复杂流场，分别供氧气、氢气和冷却水的流通，流道成形精度甚至要达到微米级别，制造这样一块合格的金属双极板，其难度可想而知。

    反复雕琢的磨具制作过程是此番产学研紧密合作的缩影。“在开磨具之前，三方反复修改设计，数不清有多少个来回。”参与该项目的上海交大彭林法博士说。而信息的顺畅沟通也必不可少。“我们每周召开项目电话会议，每个月有报告和回顾，每季度进行领导审核会。”负责项目管理的上汽集团新能源和技术管理部项目经理高雷介绍说。

    在上汽集团新能源和技术管理部的办公室内，方亮展示了第一代金属双极板的第二批次产品：“目前的产品厚度已达到国际先进水平，部分性能也符合美国能源部要求的实际应用水平，我们正将其组合成电堆实验。”而改进设计及工艺后的第三批次产品也在紧锣密鼓地研制中。

    “产学研的方式实现了双赢，缩小了和国外金属双极板制造水平的差距。”陈雪松如此看待此次三方的合作。而在来新民看来，产学研结合也为学术研究提供了源头活水。“在微细制造领域，我们此前做了很多基础研究，比如如何避免成形缺陷，控制成形精度。在将基础研究应用到了产品开发的过程中，也会有许多新问题冒出来需要我们再解决。”上海交大的两位硕士生邱殿凯和邓宇君在参与项目时受到启发，琢磨出新的金属双极板工艺方法，赢取了去年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛的特等奖。