袁偉：助力新能源技術(shù)“落地”

李明麗

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強國之基，在國民經(jīng)濟中的重要地位不言而喻，可以說，沒有強大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業(yè)，是提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路。

十幾年前，在華南理工大學機械制造專業(yè)就讀的袁偉，就已經(jīng)有意識地思索怎樣利用制造知識，助力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，更好地為國民經(jīng)濟服務的命題了。經(jīng)過十多年的潛心求索，這個命題已經(jīng)有了答案。

“我國是能源消耗大國，開發(fā)和利用新能源是節(jié)能減排的重要途徑。我希望能夠利用我們在機械制造技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，介入到新能源（燃料電池、鋰離子電池等）的先進制造技術(shù)研究中去，讓新能源技術(shù)得以盡快落地。這些研究包括電池系統(tǒng)關(guān)鍵零部件設(shè)計和制造、傳質(zhì)/傳熱高效管理、系統(tǒng)集成開發(fā)及應用等。”袁偉思路清晰，斗志昂揚。為了實現(xiàn)這一夙愿，袁偉和他的團隊以夢為馬，跨界鉆研，已經(jīng)取得了不菲成績。

開辟新路 創(chuàng)新制造理論

對于鋰離子電池，人們并不陌生，在日常生活中隨處可見，手機、筆記本電腦、充電寶、新能源汽車中都有它的身影。作為一種應用廣泛、技術(shù)較為成熟的新能源動力儲能裝置，對于鋰離子電池的研究應用，一直是學界的研究重點和熱點。然而，會“衰老”、不耐受過沖或過放、受溫度影響大等缺陷，給鋰離子電池的應用前景蒙上了陰影。

與之對應的，燃料電池是業(yè)內(nèi)公認的近乎理想的能源裝置，具有轉(zhuǎn)化率高、能量密度高、可彈性設(shè)置、環(huán)境友好等特點，在分布式發(fā)電、車載動力源、移動便攜電源等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景，因此正得到越來越多的關(guān)注和研究。

“如果說鋰離子電池是近中期的一個解決方案的話，那么，燃料電池則是相對面向中遠期的能源裝置。”袁偉對不同類型新能源裝置的未來看得很清楚。作為一名機械制造專業(yè)出身的科研人員，袁偉更加關(guān)注的是這些新能源裝置內(nèi)部的結(jié)構(gòu)制造問題，如何利用設(shè)計和制造優(yōu)勢來優(yōu)化電池性能，從而推動應用落地是他和團隊的研究重點。

拿直接甲醇燃料電池（DMFC）來說，它結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便，壽命更長，體積能量密度遠高于當前技術(shù)成熟且廣泛使用的鋰離子電池，被業(yè)內(nèi)認為是最有可能取代傳統(tǒng)電源并率先實現(xiàn)市場化的一類燃料電池。同時，隨著消費電子產(chǎn)品換代不斷加快，以及人們對電源續(xù)航能力要求的不斷提高，DMFC將迎來重大發(fā)展機遇。

是機遇也是挑戰(zhàn)。盡管DMFC的研究已經(jīng)成為世界關(guān)注的熱點，但其研究與開發(fā)仍處于初級階段。DMFC制造成本長期居高不下是遲遲未能產(chǎn)業(yè)化的重要原因，作為DMFC的關(guān)鍵元件，流場板約占整個電池質(zhì)量的70%？80%，成本約占總成本的40%？50%。同時，甲醇穿透會使陰極產(chǎn)生混合電位導致輸出電壓大幅下降，這是造成當前DMFC功率密度普遍較低的主要原因。因此，在兼顧流場板的導電、導熱、耐腐蝕等一系列物化屬性前提下，如何實現(xiàn)甲醇傳質(zhì)平衡的主動控制，是優(yōu)化流場板結(jié)構(gòu)（包括宏觀孔隙和微觀表面形貌）時必須解決的關(guān)鍵問題。“顯然，解決流場板的高效制造及結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當務之急，也是突破其產(chǎn)業(yè)化瓶頸的重要途徑。”袁偉一針見血地指出。

當時，學界多采用在石墨板表面雕刻槽道的方法或基于金屬薄板的溝槽式模壓工藝來制造流場板，但是這些方法要么成品率低、費用高昂，要么雖能滿足輕質(zhì)化需要，但卻較多依賴模具而缺乏工藝柔性，均難以滿足產(chǎn)業(yè)化的需要。有沒有一種制造手段能夠同時解決電池的輕質(zhì)化、批量化和低成本化問題呢？

近年來，多孔金屬材料越來越多地受到燃料電池界的關(guān)注，有人認為多孔金屬材料的大規(guī)模應用有助于燃料電池早日實現(xiàn)市場化。但是，能夠滿足燃料電池功能需求的多孔金屬始終沒有形成一個自有市場體系，在行業(yè)內(nèi)也尚未形成共識。部分研究機構(gòu)也僅是停留在“拿來用”的階段，缺少主動制造和優(yōu)化手段。

袁偉卻是個例外，他一直在主動尋找機械制造技術(shù)與燃料電池的契合點。早在2013年，他就敏銳地注意到質(zhì)子交換膜燃料電池以及多孔金屬材料的快速發(fā)展趨勢，后在TOP期刊上發(fā)表了相關(guān)綜述文章，對該課題的研究現(xiàn)狀進行了詳細論述和分析。不久，袁偉再次發(fā)現(xiàn)對于氫燃料電池，燒結(jié)多孔流場性能優(yōu)于傳統(tǒng)蛇形溝槽流場，使得在被動式條件下操作電池成為可能。相關(guān)成果再次發(fā)表在TOP期刊上。后來，他還提出了考慮多結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合和電池兩極差異化影響的流場板優(yōu)化方法，突破了單因素分析方法的局限，獲得了一系列區(qū)別于傳統(tǒng)觀點的結(jié)論，相關(guān)成果發(fā)表在國際能源領(lǐng)域TOP期刊上，并得到以美國康涅狄格州立大學Faghri教授（燃料電池領(lǐng)域權(quán)威專家）為代表的學術(shù)同行的持續(xù)關(guān)注。

基于前期豐碩的研究成果，2015年，在國家自然科學基金的支持下，袁偉帶領(lǐng)團隊深入開展了“基于切削金屬纖維的甲醇燃料電池多孔流場板制造及優(yōu)化基礎(chǔ)研究”。經(jīng)過4年的刻苦攻關(guān)，他們針對DMFC的結(jié)構(gòu)和操作特點，創(chuàng)造性地提出采用多齒切削工藝加工金屬纖維并經(jīng)過高溫燒結(jié)制造多孔流場板的技術(shù)路線，打通了從制造源頭提升電池性能的途徑，在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)。他們還重點研究了工藝參數(shù)對纖維表面形貌生成及燒結(jié)成形過程的影響機理和控制策略，研究纖維表面形貌的宏/微統(tǒng)一描述方法，構(gòu)建三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓撲模型和幾何約束關(guān)系，在表征多孔流場板結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵物化特性的基礎(chǔ)上研究其對電池性能的影響規(guī)律，優(yōu)化流場板在反應物和產(chǎn)物高效管理中的功能機制。這在燃料電池的研究中具有較突出的創(chuàng)新性。

除此之外，項目團隊還構(gòu)建了集工藝、結(jié)構(gòu)和功能等參數(shù)于一體的優(yōu)化鏈，顯著提升了電池性能。這種優(yōu)化方法在燃料電池的傳質(zhì)機制研究中尚屬罕見。因此，項目在執(zhí)行期間，還獲得了國家優(yōu)秀青年科學基金項目的支持。因其出色的研究成果，該項目在“第十八屆國際制造會議（IMCC2019）”上被評為2018年度機械學科十大優(yōu)秀結(jié)題項目。不鳴則已，一鳴驚人，袁偉憑著過硬的機械制造功底和敏銳的前瞻視野，在燃料電池基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域闖出了一片天，成長為國家級科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

系統(tǒng)研發(fā) 破解應用難題

氫被視為“21世紀的終極能源”、未來的能源貨幣，氫能燃料電池汽車因高效、節(jié)能、零排放等優(yōu)勢受到各國政府的高度重視，被認為是解決汽車發(fā)展帶來的能源危機和環(huán)境污染問題的理想途徑，是全球能源競爭新的戰(zhàn)略制高點。全球主要發(fā)達國家如日本、美國、德國等均已開始積極部署發(fā)展氫能源及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。

我國亦積極部署，在《中國制造2025》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿）等重要綱領(lǐng)性文件中，已將燃料電池汽車作為重點發(fā)展領(lǐng)域，明確提出燃料電池汽車實現(xiàn)商業(yè)化運行的總體目標。目前全國已有20多個省份制定出臺了氫能源及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和配套政策。作為先行先走的試驗區(qū)，廣東省也就《廣東省加快氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案》公開征求意見。放眼國際，環(huán)視國內(nèi)，氫燃料電池汽車研發(fā)應用已經(jīng)呈現(xiàn)如火如荼之勢。

前途光明，道路曲折。目前，我國在燃料電池乘用車方面尚無量產(chǎn)車型投放市場，主要是燃料電池產(chǎn)品級整車結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃料電池專用關(guān)鍵零部件開發(fā)、熱管理、高效能量管理、在線監(jiān)測與故障診斷、氫-電安全技術(shù)、測試評價體系以及批量生產(chǎn)制造工藝等方面的關(guān)鍵問題尚未解決。千帆競渡，百舸爭流。誰能率先破解技術(shù)難題，誰就將成為這一輪競爭的弄潮兒。

2019年，廣東省重點研發(fā)計劃項目“燃料電池乘用車整車集成及動力系統(tǒng)平臺開發(fā)”啟動。在燃料電池研發(fā)和應用領(lǐng)域有深厚積淀和技術(shù)儲備的袁偉當仁不讓，率領(lǐng)團隊與廣州汽車集團股份有限公司等單位一起展開協(xié)同攻關(guān)，迎難而上，合作開展研究，致力于推進燃料電池乘用車示范運行推廣，以支撐廣東省氫能與燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略的實施。

作為技術(shù)支撐單位，袁偉和團隊著力燃料電池動力系統(tǒng)水/熱管理及冷啟動技術(shù)研究。當燃料電池與整車系統(tǒng)連接，尤其是涉及實際應用，各種因素疊加耦合，各種系統(tǒng)都必須充分考量，可以說是困難重重。他們不僅需要建立燃料電池水管理模型，研究產(chǎn)物水的擴散過程及聚集過程的傳質(zhì)行為機制；基于燃料電池系統(tǒng)分析，對動力系統(tǒng)水管理提出準確需求。還要基于燃料電池電堆及系統(tǒng)零部件散熱特性，對標分析國際先進燃料電池動力系統(tǒng)熱管理方案，研究高能效熱管理技術(shù)。此外，還需研究燃料電池低溫傳熱特性，結(jié)合試驗，分析燃料電池自啟動、外部輔助啟動等技術(shù)方案的優(yōu)缺點，提出燃料電池低溫啟動解決思路與方案。

無限風光在險峰。正因為前路艱難，才更有機會看到最美的風景。拿燃料電池動力系統(tǒng)高效熱管理來說，PEM燃料電池工作溫度相對較低，與環(huán)境溫差小，導致熱管理開發(fā)難度大，是袁偉和團隊要解決的關(guān)鍵問題。

“氫能燃料電池本質(zhì)上屬于質(zhì)子交換膜燃料電池范疇。如果動力系統(tǒng)溫度過高，會導致質(zhì)子交換膜脫水從而致使質(zhì)子傳導率降低；如果溫度過低，則會降低催化劑活性導致電池性能下降；如果溫度不平均，會導致質(zhì)子交換膜受熱不均勻，燃料電池壽命將會降低。”袁偉介紹。為了解決這個“高不成低不就”的尷尬難題，他和團隊結(jié)合實驗和仿真分析手段，創(chuàng)造性地開發(fā)了基于單向熱管的被動式高效散熱模塊：當電池溫度不高時，主要依靠被動式散熱；當電池溫度高于設(shè)定值，水循環(huán)冷卻啟動；同時，制定被動式散熱和水循環(huán)散熱分級啟動策略，解決水循環(huán)冷卻能耗過大的問題。

在理論研究上，袁偉站在高處，用大系統(tǒng)多因素耦合的研發(fā)思維通盤考慮電池的性能；在實際應用中，他又腳踏實地，深入細節(jié)，用系統(tǒng)綜合分析的方法來解決子系統(tǒng)的難題。合而不分，分而為合，蘊含著獨到的科研哲學思維。

薪火相傳 成為優(yōu)秀的自己

袁偉應該是記者采訪過求學和工作經(jīng)歷最簡單的科研人員了。無論是求學還是工作，他的選擇都是華南理工大學，這一晃就是近20年。在人才流動異常頻繁的當下，他的這種執(zhí)著和感恩顯得尤為珍貴。

然而，他的經(jīng)歷又是“不簡單”的。在這近20年的時光里，一半時間，他是在求學深造，他如饑似渴地學習專業(yè)知識，在導師湯勇教授的指導下自主研發(fā)、茁壯成長，博士畢業(yè)時被選為優(yōu)秀畢業(yè)生代表在畢業(yè)典禮發(fā)表演講，博士論文被評為“廣東省優(yōu)秀博士學位論文”；另一半時間，則是在科研教學，用所學本領(lǐng)創(chuàng)新研究，培養(yǎng)新一代，先后兩次被破格晉升，主持各類項目20余個，入選國家級、省級多個人才計劃，已經(jīng)從懵懂少年快速成長為學科最年輕的領(lǐng)軍人才。

作為機械制造及自動化學科方向帶頭人，袁偉的研究團隊有20多人。這是一支年輕的隊伍，成員大多是碩士、博士，他十分注重對團隊年輕人的“傳幫帶”，甘心“做學生的良師益友”。平時，他是朋友，可以和學生一起開玩笑、談天、聚餐、唱歌；工作時，他是嚴師，做課題時，要求學生“用最飽滿的熱情，用最認真的態(tài)度去做”。勞逸結(jié)合，全力以赴，整個團隊氛圍既輕松又嚴肅。玩，就玩?zhèn)€痛快；研究，就你追我趕，精益求精。多年來，袁偉的學生已經(jīng)步入工作崗位，很多都已經(jīng)成為單位骨干，每年都有學生入選廣東省優(yōu)秀研究生。“很多學生來的時候是‘小綿羊，等畢業(yè)的時候已經(jīng)成了‘大老虎，有時我還得潑潑冷水。”聊起學生，袁偉非常驕傲。

理論創(chuàng)新在左，服務應用在右，團隊教學在中間，一路耕耘，一路播撒，一路收獲。這便是袁偉的科研之路，他還將一直走下去。