本報(bào)記者 高 博 氫燃料電池，汽車業(yè)的未來之星；它上了天，前途同樣光明。科技日報(bào)記者最近了解到，位于北京亦莊的北京新研創(chuàng)能科技有限公司(以下簡稱新研創(chuàng)能)，研發(fā)了一款六旋翼氫燃料電池?zé)o人機(jī)，不間斷飛行331分鐘，打破世界紀(jì)錄。這一成就也顯示：中國的氫燃料電池在一些關(guān)鍵指標(biāo)上躋身世界前列。
打破紀(jì)錄
在位于北京亦莊的一個展廳里，科技日報(bào)記者看到，這款六旋翼無人機(jī)的核心是一塊氫燃料電池，搭載一個高壓儲氫瓶為氫燃料電池提供發(fā)電所需的氫氣。一個月前，新研創(chuàng)能聯(lián)合首航國翼開發(fā)的這款無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)長達(dá)331分鐘的不間斷室外飛行，打破了由中航技進(jìn)出口有限責(zé)任公司和深圳市科比特航空科技有限公司聯(lián)合推出的多旋翼無人機(jī)HYDrone-1800于2016年創(chuàng)造的270分鐘的原世界紀(jì)錄。
新研創(chuàng)能于2018年獲得中關(guān)村首批高精尖培育項(xiàng)目“氫燃料電池多旋翼無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化”，經(jīng)過一年努力，開發(fā)出功率密度高、重量輕、體積小、性能優(yōu)的2千瓦級金屬板燃料電池空冷電堆及系統(tǒng)，并成功集成在無人機(jī)上。2019年12月8日在武漢，攜帶2千瓦金屬板空冷電堆及19升/35兆帕輕質(zhì)高壓儲氫瓶的無人機(jī)于上午9:23起飛，下午14:54降落，實(shí)現(xiàn)331分鐘連續(xù)室外飛行，大幅超過項(xiàng)目要求的240分鐘指標(biāo)。不僅如此，在四川甘孜州的高原環(huán)境，無人機(jī)長續(xù)航飛行實(shí)驗(yàn)也獲得成功，證明在大風(fēng)、低溫、低氧條件下，新研創(chuàng)能的氫燃料電池一樣穩(wěn)定。
一般來說，在大范圍、全天候的巡邏場景中，鋰電池?zé)o人機(jī)續(xù)航時間不到一小時。而油動無人機(jī)震動大，高精度拍攝時需減震器件，加大了載荷。相比鋰電池動力，氫燃料電池?zé)o人機(jī)先天具備續(xù)航優(yōu)勢，而且無震動無污染。搭載了氫燃料電池的無人機(jī)，可以拓展應(yīng)用的想象空間。比如集群運(yùn)作時，長續(xù)航的通信中繼無人機(jī)，可確保機(jī)群飛得更遠(yuǎn)，執(zhí)行一些迄今尚無能為力的復(fù)雜任務(wù)。
精雕細(xì)琢
雙極板是氫燃料電池堆的核心部件之一，目前主流路線分石墨極板和金屬極板。成立于2017年的新研創(chuàng)能主攻金屬極板。金屬極板便于大規(guī)模生產(chǎn)，而且金屬極板燃料電池堆具有重量輕、體積小、抗振能力強(qiáng)、可低溫?zé)o助啟動、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。
新研創(chuàng)能制造的金屬極板燃料電池堆，乍看并不復(fù)雜，像一頁頁金屬片裝訂成的大書。仔細(xì)看，金屬片凹凸，有復(fù)雜的折線流道。流道將注入的氫氣和空氣均勻引流到整張極板。流道很細(xì)，做到氣流均勻穩(wěn)定的分配并不容易，需要經(jīng)過大量的仿真計(jì)算。空氣中的氧氣和氫氣在膜電極的催化作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水并放熱放電。因此金屬片上還有通道，用空氣或冷卻液來冷卻電堆。
一片片復(fù)雜的金屬片不僅要完美吻合，還得在惡劣環(huán)境下“面不改色”，這對設(shè)計(jì)和制作工藝提出巨大挑戰(zhàn)。新研創(chuàng)能攻克了0.1毫米金屬板材超深流道的加工制備工藝和技術(shù)用于電堆，電堆性能媲美國際一流水準(zhǔn)。用在無人機(jī)上，可兼顧高效與穩(wěn)定。
除了無人機(jī)用的空冷電堆，新研創(chuàng)能還量產(chǎn)汽車用的水冷40千瓦電堆，峰值體積功率密度達(dá)2.9千瓦/升，位居世界前列。他們還在開發(fā)80千瓦的電堆。
新研創(chuàng)能董事長洪鑫告訴科技日報(bào)記者，每設(shè)計(jì)一個板型，都得反復(fù)模擬計(jì)算。修正模具、焊接、密封等各環(huán)節(jié)都需要摸索。金屬極板燃料電池堆的難度不光在研發(fā)和工藝編制上。因?yàn)榘赐瑯拥墓に嚵鞒蹋煌瑘F(tuán)隊(duì)加工出的電堆，壽命和可靠性也有明顯差距。工匠精神至關(guān)重要，要花費(fèi)時間金錢，耐心打造精英團(tuán)隊(duì)，去精雕細(xì)琢。
深耕源頭
新研氫能源科技有限公司(以下簡稱新研氫能)成立于2017年，旗下有三家子公司：新研創(chuàng)能專注金屬極板設(shè)計(jì)及電堆研發(fā)，大連擎研科技有限公司(以下簡稱大連擎研)側(cè)重于燃料電池系統(tǒng)控制集成和測試臺，大同新研氫能源科技有限公司(以下簡稱大同新研)則為產(chǎn)業(yè)基地和運(yùn)營突破口。目前新研創(chuàng)能和大連擎研具備小批量生產(chǎn)能力，而大同新研則規(guī)劃產(chǎn)能1萬套，目前已達(dá)到年產(chǎn)1000臺40千瓦級電堆產(chǎn)能；他們還在大同建成了一個加氫能力為500千克/天的撬裝式加氫站，用于示范運(yùn)行車輛加氫。新研氫能已與中通客車聯(lián)合開發(fā)了廂式物流車，并與廈門金旅聯(lián)合開發(fā)了公交車。
新研氫能的首席技術(shù)官齊志剛博士是燃料電池領(lǐng)域的專家，在燃料電池領(lǐng)域耕耘20余年，是國內(nèi)外數(shù)十個燃料電池標(biāo)準(zhǔn)的主要起草人。新研氫能目前掌握金屬極板設(shè)計(jì)、沖壓、清洗、焊接、防腐鍍層等技術(shù)和工藝；金屬板電堆、測試臺和電壓巡檢板研發(fā)制造能力處于國際先進(jìn)水平。在新研創(chuàng)能的實(shí)驗(yàn)室里，洪鑫告訴記者，不同型號的燃料電池電堆測試平臺都是他們自己開發(fā)的，并且可以對外出售。
洪鑫說，他們將把精力集中于電堆與系統(tǒng)的研發(fā)，不著急，不趕風(fēng)口，不轉(zhuǎn)移注意力，踏實(shí)攻關(guān)核心技術(shù)。
燃料電池的研發(fā)于1960年代開始于美國。氫燃料電池驅(qū)動的乘用車被寄予厚望，目前最耀眼的成就之一是2014年量產(chǎn)上市的豐田的MIRAI。跟純電動車相比，其優(yōu)勢是近600公里的續(xù)航里程，加氫只需4分鐘，媲美燃油車，又有無污染、非石油依賴的優(yōu)勢。放眼世界范圍，氫燃料電池的進(jìn)步和普及是一個長期過程。目前，中國企業(yè)在氫燃料電池堆及系統(tǒng)國產(chǎn)化上進(jìn)展迅速。
