“在汽車零部件中拆下任何一個沖壓件，都找不到表面特性有這么復雜的。”上汽集團新能源和技術管理部燃料電池系統(tǒng)部總監(jiān)陳雪松介紹說，由多塊金屬雙極板組合而成的電堆，將成為未來燃料電池汽車的動力引擎。
目前，這塊凝結著上海汽車集團、上海交通大學以及大連新源動力產(chǎn)學研三方合作的金屬雙極板，已完成第二批樣品的制造。按照上汽集團的規(guī)劃，到2015年，搭載著金屬雙極板的燃料電池汽車將達到千輛級的產(chǎn)量規(guī)模。
研發(fā)金屬雙極板為國際趨勢
在催化劑的作用下，氫氣和氧氣發(fā)生化學反應，并將能量轉化為電能，燃料電池就是由此原理驅動汽車前行。由于效率高、零排放，燃料電池汽車被認為是新能源汽車領域最為環(huán)保的技術路線。
陳雪松表示，燃料電池中最關鍵的部件當屬電堆，而雙極板則是其核心部件之一。目前雙極板較多采用的材料是石墨，但由于其機械性能、制造成本等方面存在先天劣勢，研發(fā)純金屬材料的雙極板已經(jīng)成為國際燃料汽車領域的新趨勢。
陳雪松介紹說，制造金屬雙極板的技術難點在于沖壓金屬薄板的過程中，如何保證成形精度和一致性，同時還需要解決其焊接變形和表面防腐的問題。為此，上汽集團為燃料電池設立的三大關鍵零部件研究專項中，金屬雙極板就位列其中。
上汽集團新能源和技術管理部燃料電池系統(tǒng)開發(fā)工程師方亮介紹，由于金屬雙極板使用的不銹鋼材料相較傳統(tǒng)的石墨更為便宜，加之采用沖壓這一加工工藝，成本相較石墨材料能降低三分之一到四分之一。
根據(jù)上汽集團的規(guī)劃，2015年將形成千輛級別的燃料電池汽車產(chǎn)量，這也意味著金屬雙極板的產(chǎn)量需達到十萬片的量級。
產(chǎn)學研結合已是交大傳統(tǒng)
上海交通大學機械與動力工程學院復雜薄板結構數(shù)字化制造實驗室內，展示著不同時期研發(fā)的金屬雙極板樣片和壓制模具。作為金屬雙極板項目的合作方，該實驗室承擔著雙極板的制模、壓制、焊接等關鍵工序，實驗室有5名教師和10多名博士、碩士生。
“從1996至今，林忠欽教授帶領團隊和上汽保持密切合作，產(chǎn)學研結合是有傳統(tǒng)的。”上海交通大學機械與動力工程學院教授來新民說。在此次金屬雙極板項目合作之前，上海交大和上汽集團在汽車制造領域早有產(chǎn)學研合作先例。
陳雪松表示，上汽作為整車企業(yè)，能獨立開發(fā)的零部件畢竟有限，而上海交大在金屬薄板微細沖壓成形這一領域處于國內領先水平。 “同樣是正在研發(fā)燃料電池的國外公司，其團隊的人力和研究經(jīng)費相比我們多，在這種情況下進行雙極板的自主開發(fā)，就必須借用外部資源。 ”陳雪松告訴記者。
2005年前后，復雜薄板結構數(shù)字化制造實驗室已經(jīng)將研究重點轉向極板成形，并進行了多項基礎研究工作。“此后正好趕上上汽集團的新能源項目，產(chǎn)學研合作也就水到渠成了。 ”來新民表示。
2011年1月，車用金屬雙極板研發(fā)立項，由上汽集團、上海交大和新源動力三方合作，并共享研究成果。就具體分工而言，上汽集團提出雙極板的厚度、平整度、防腐性等技術要求，新源動力負責金屬板設計和表面處理，上海交大則承擔沖壓、焊接。
學生因參與項目贏得“挑戰(zhàn)杯”
在40厘米長、10厘米寬，厚度僅為0.1毫米的金屬薄片原材料上，壓制出1毫米左右的致密復雜流場，分別供氧氣、氫氣和冷卻水的流通，流道成形精度甚至要達到微米級別，制造這樣一塊合格的金屬雙極板，其難度可想而知。
反復雕琢的磨具制作過程是此番產(chǎn)學研緊密合作的縮影。“在開磨具之前，三方反復修改設計，數(shù)不清有多少個來回。”參與該項目的上海交大彭林法博士說。而信息的順暢溝通也必不可少。 “我們每周召開項目電話會議，每個月有報告和回顧，每季度進行領導審核會。”負責項目管理的上汽集團新能源和技術管理部項目經(jīng)理高雷介紹說。
在上汽集團新能源和技術管理部的辦公室內，方亮展示了第一代金屬雙極板的第二批次產(chǎn)品：“目前的產(chǎn)品厚度已達到國際先進水平，部分性能也符合美國能源部要求的實際應用水平，我們正將其組合成電堆實驗。 ”而改進設計及工藝后的第三批次產(chǎn)品也在緊鑼密鼓地研制中。
“產(chǎn)學研的方式實現(xiàn)了雙贏，縮小了和國外金屬雙極板制造水平的差距。 ”陳雪松如此看待此次三方的合作。而在來新民看來，產(chǎn)學研結合也為學術研究提供了源頭活水。“在微細制造領域，我們此前做了很多基礎研究，比如如何避免成形缺陷，控制成形精度。在將基礎研究應用到了產(chǎn)品開發(fā)的過程中，也會有許多新問題冒出來需要我們再解決。”上海交大的兩位碩士生邱殿凱和鄧宇君在參與項目時受到啟發(fā)，琢磨出新的金屬雙極板工藝方法，贏取了去年“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽的特等獎。
