將氫能直接轉(zhuǎn)化為電能，不僅零排放，還高功率。上海理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)正用自主創(chuàng)新的力量，讓這項(xiàng)“魔法技術(shù)”變成現(xiàn)實(shí)。

“以前提到高功率燃料電池核心技術(shù)，不少人第一反應(yīng)是依賴進(jìn)口。現(xiàn)在不一樣了！我們自主研發(fā)的電堆、雙極板和壓裝設(shè)備，性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平。”在工博會(huì)現(xiàn)場，上海理工大學(xué)江小輝教授向觀眾介紹道，這些成果還能精準(zhǔn)適配兩輪車、無人機(jī)等貼近產(chǎn)業(yè)需求的場景。

適配多種場景，核心性能達(dá)國際先進(jìn)

江小輝教授科研團(tuán)隊(duì)基于機(jī)械工程學(xué)院在高端數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造及檢測等方面的技術(shù)優(yōu)勢，通過優(yōu)化雙極板設(shè)計(jì)、升級(jí)電堆技術(shù)，將裝備制造與產(chǎn)品設(shè)計(jì)融合，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在航空航天、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)從產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求出發(fā)，自主設(shè)計(jì)開發(fā)了新一代高功率燃料電池電堆、雙極板及智能電堆壓裝設(shè)備，還聯(lián)合了多家國企和新能源企業(yè)，專注攻克兩輪車、無人機(jī)等場景對(duì)高性能燃料電池的核心需求。

目前團(tuán)隊(duì)通過自主開發(fā)的壓裝設(shè)備，已完成不同功率電堆的制造及測試。如400W和1KW的單模塊電堆系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。這些電堆產(chǎn)品的使用壽命可達(dá)4000小時(shí)，在-15℃到+40℃的溫度范圍內(nèi)都能正常工作。更值得一提的是，這些電堆產(chǎn)品經(jīng)過第三方檢測，性能指標(biāo)已達(dá)國際先進(jìn)水平。

這意味著未來國產(chǎn)燃料電池在多場景應(yīng)用上，有了更可靠的選擇。“比如無人機(jī)在高空作業(yè)時(shí)，溫度變化大，對(duì)設(shè)備穩(wěn)定性要求高，我們的電堆能適應(yīng)這樣的復(fù)雜環(huán)境，為無人機(jī)提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力；兩輪車日常使用中，對(duì)電池壽命和適配性要求高，我們的產(chǎn)品也能滿足這些需求。”江小輝說。

突破關(guān)鍵技術(shù)，多學(xué)科融合優(yōu)化

在燃料電池核心部件——雙極板及電堆的設(shè)計(jì)制造上，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了參數(shù)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測及評(píng)價(jià)模型。

“簡單說，就是通過模型模擬電堆在不同工作狀態(tài)下的情況，比如電流密度怎么分布、溫度場怎么變化，然后綜合分析這些數(shù)據(jù)，找到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。” 團(tuán)隊(duì)黃之文老師說，這樣設(shè)計(jì)出來的雙極板和電堆，既能減輕重量，又能延長使用壽命。

不僅如此，在研發(fā)過程中，團(tuán)隊(duì)還打通了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能評(píng)價(jià)、電化學(xué)反應(yīng)等多學(xué)科交叉融合，未來還將引入包括復(fù)合材料、金屬密封、反向嵌套等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，讓技術(shù)創(chuàng)新更具全面性和前瞻性。

攻克裝配難題，智能壓裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)高效制造

電堆裝配過程可不是簡單的“拼零件”，其中藏著諸多技術(shù)難點(diǎn)。“電堆由端板、集流板、碳紙、雙極板、膜電極等很多部件組成。”團(tuán)隊(duì)成員解釋道，“裝配時(shí)涉及多材料、多力場的綜合工況影響，對(duì)壓裝過程的穩(wěn)定性、材料與力學(xué)的耦合作用，都有精確力控和時(shí)間協(xié)同的嚴(yán)苛要求。”

為了解決這個(gè)難題，團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了高性能智能電堆壓裝設(shè)備。

“這款壓裝設(shè)備按照電堆壓裝過程高剛度及靜動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的需求設(shè)計(jì)的，還搭配了我們自主開發(fā)的專業(yè)壓裝控制軟件，能實(shí)現(xiàn)電堆裝配全過程高穩(wěn)定控制。”團(tuán)隊(duì)測控技術(shù)負(fù)責(zé)人郭淼現(xiàn)副教授介紹，設(shè)備采用先進(jìn)的四軸聯(lián)動(dòng)控制，可針對(duì)不同功率及尺寸型號(hào)的電堆需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化壓裝。

更智能的是，設(shè)備還能結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)運(yùn)算，精準(zhǔn)確定并施加所需的總載荷。這樣一來，既能保證電堆的高性能，又能提高生產(chǎn)效率、降低成本，滿足不同場景下多樣化電堆產(chǎn)品的壓裝需求。這套設(shè)備的成功研發(fā)，為國產(chǎn)高功率燃料電池的規(guī)模化、高質(zhì)量生產(chǎn)提供了重要保障。

從核心部件到裝配設(shè)備，從技術(shù)攻關(guān)到場景落地，上理工這支團(tuán)隊(duì)用自主創(chuàng)新的力量，為國產(chǎn)高功率燃料電池技術(shù)發(fā)展注入了新動(dòng)能。隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化和推廣，這些“國產(chǎn)智造”的燃料電池產(chǎn)品，將有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為低空經(jīng)濟(jì)、新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更多助力。

來源：上海楊浦

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