把氫能直接“變”成電能，還零排放、高效率 —— 這聽起來像科幻故事里的“魔法”，卻真實(shí)存在于燃料電池的運(yùn)作中。作為未來替代化石燃料的關(guān)鍵技術(shù)，燃料電池的發(fā)展一直備受關(guān)注。如今，上海理工大學(xué)江小輝教授科研團(tuán)隊(duì)正用創(chuàng)新打破技術(shù)壁壘，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)、升級電堆技術(shù)，將裝備制造與產(chǎn)品設(shè)計(jì)融合，推動在航空航天、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用，更讓這項(xiàng) “魔法技術(shù)” 走進(jìn)更多產(chǎn)業(yè)場景。

“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，還能精準(zhǔn)適配兩輪車、無人機(jī)這些貼近產(chǎn)業(yè)需求的場景。” 江小輝教授在工博會現(xiàn)場向觀眾介紹道。

多場景適配，核心性能達(dá)國際先進(jìn)

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)，專門聚焦兩輪車、無人機(jī)等場景對高性能燃料電池的核心需求，深入攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。?

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)，而且電堆的使用壽命可達(dá)4000小時，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)過國內(nèi)和新加坡第三方檢測，性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。?

“未來，比如無人機(jī)在高空作業(yè)時，溫度變化大，對設(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)定的動力；兩輪車日常使用中，對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。” 江小輝補(bǔ)充說，這意味著國產(chǎn)燃料電池在多場景應(yīng)用上，有了更可靠的選擇。?

團(tuán)隊(duì)成員在工博會展臺向觀眾介紹技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

聚焦關(guān)鍵指標(biāo)，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)也下足了功夫。“我們掌握了高性能雙極板及電堆設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化評估的整體解決技術(shù)，就是要圍繞輕量化、長壽命這些用戶最關(guān)心的關(guān)鍵指標(biāo)做文章。”

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了雙極板及電堆參數(shù)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能預(yù)測及評價模型。“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)的版型設(shè)計(jì)方案。” 團(tuán)隊(duì)黃之文老師談到，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)、材料性能評價、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。

觀眾參觀項(xiàng)目展臺?

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，裝配時涉及多材料、多力場的綜合工況影響，對壓裝過程的穩(wěn)定性、材料與力學(xué)的耦合作用，都有精確力控和時間協(xié)同的嚴(yán)苛要求。”為了解決這個難題，團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮，自主開發(fā)了高性能智能電堆壓裝設(shè)備。?

這款壓裝設(shè)備有不少 “黑科技”。“它是按照電堆壓裝過程高剛度及靜動態(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)負(fù)責(zé)測控技術(shù)的郭淼現(xiàn)副教授介紹道，設(shè)備采用先進(jìn)的四軸聯(lián)動控制，可針對不同功率及尺寸型號的電堆需求，考慮雙極板與膜電極壓裝力均一性最優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動化壓裝。?

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，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)展貢獻(xiàn)更大力量。

 團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)高性能電堆壓裝設(shè)備