李明丽

　　
　　
　　制造业是立国之本、兴国之器、强国之基，在国民经济中的重要地位不言而喻，可以说，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。
　　十几年前，在华南理工大学机械制造专业就读的袁伟，就已经有意识地思索怎样利用制造知识，助力行业转型升级，更好地为国民经济服务的命题了。经过十多年的潜心求索，这个命题已经有了答案。
　　“我国是能源消耗大国，开发和利用新能源是节能减排的重要途径。我希望能够利用我们在机械制造技术领域的优势，介入到新能源（燃料电池、锂离子电池等）的先进制造技术研究中去，让新能源技术得以尽快落地。这些研究包括电池系统关键零部件设计和制造、传质/传热高效管理、系统集成开发及应用等。”袁伟思路清晰，斗志昂扬。为了实现这一夙愿，袁伟和他的团队以梦为马，跨界钻研，已经取得了不菲成绩。
　　
开辟新路 创新制造理论
　　对于锂离子电池，人们并不陌生，在日常生活中随处可见，手机、笔记本电脑、充电宝、新能源汽车中都有它的身影。作为一种应用广泛、技术较为成熟的新能源动力储能装置，对于锂离子电池的研究应用，一直是学界的研究重点和热点。然而，会“衰老”、不耐受过冲或过放、受温度影响大等缺陷，给锂离子电池的应用前景蒙上了阴影。
　　与之对应的，燃料电池是业内公认的近乎理想的能源装置，具有转化率高、能量密度高、可弹性设置、环境友好等特点，在分布式发电、车载动力源、移动便携电源等领域有着广阔的应用前景，因此正得到越来越多的关注和研究。
　　“如果说锂离子电池是近中期的一个解决方案的话，那么，燃料电池则是相对面向中远期的能源装置。”袁伟对不同类型新能源装置的未来看得很清楚。作为一名机械制造专业出身的科研人员，袁伟更加关注的是这些新能源装置内部的结构制造问题，如何利用设计和制造优势来优化电池性能，从而推动应用落地是他和团队的研究重点。
　　拿直接甲醇燃料电池（DMFC）来说，它结构更简单，操作更方便，寿命更长，体积能量密度远高于当前技术成熟且广泛使用的锂离子电池，被业内认为是最有可能取代传统电源并率先实现市场化的一类燃料电池。同时，随着消费电子产品换代不断加快，以及人们对电源续航能力要求的不断提高，DMFC将迎来重大发展机遇。
　　是机遇也是挑战。尽管DMFC的研究已经成为世界关注的热点，但其研究与开发仍处于初级阶段。DMFC制造成本长期居高不下是迟迟未能产业化的重要原因，作为DMFC的关键元件，流场板约占整个电池质量的70%.80%，成本约占总成本的40%.50%。同时，甲醇穿透会使阴极产生混合电位导致输出电压大幅下降，这是造成当前DMFC功率密度普遍较低的主要原因。因此，在兼顾流场板的导电、导热、耐腐蚀等一系列物化属性前提下，如何实现甲醇传质平衡的主动控制，是优化流场板结构（包括宏观孔隙和微观表面形貌）时必须解决的关键问题。“显然，解决流场板的高效制造及结构优化是当务之急，也是突破其产业化瓶颈的重要途径。”袁伟一针见血地指出。
　　当时，学界多采用在石墨板表面雕刻槽道的方法或基于金属薄板的沟槽式模压工艺来制造流场板，但是这些方法要么成品率低、费用高昂，要么虽能满足轻质化需要，但却较多依赖模具而缺乏工艺柔性，均难以满足产业化的需要。有没有一种制造手段能够同时解决电池的轻质化、批量化和低成本化问题呢？
　　近年来，多孔金属材料越来越多地受到燃料电池界的关注，有人认为多孔金属材料的大规模应用有助于燃料电池早日实现市场化。但是，能够满足燃料电池功能需求的多孔金属始终没有形成一个自有市场体系，在行业内也尚未形成共识。部分研究机构也仅是停留在“拿来用”的阶段，缺少主动制造和优化手段。
　　袁伟却是个例外，他一直在主动寻找机械制造技术与燃料电池的契合点。早在2013年，他就敏锐地注意到质子交换膜燃料电池以及多孔金属材料的快速发展趋势，后在TOP期刊上发表了相关综述文章，对该课题的研究现状进行了详细论述和分析。不久，袁伟再次发现对于氢燃料电池，烧结多孔流场性能优于传统蛇形沟槽流场，使得在被动式条件下操作电池成为可能。相关成果再次发表在TOP期刊上。后来，他还提出了考虑多结构参数耦合和电池两极差异化影响的流场板优化方法，突破了单因素分析方法的局限，获得了一系列区别于传统观点的结论，相关成果发表在国际能源领域TOP期刊上，并得到以美国康涅狄格州立大学Faghri教授（燃料电池领域权威专家）为代表的学术同行的持续关注。
　　基于前期丰硕的研究成果，2015年，在国家自然科学基金的支持下，袁伟带领团队深入开展了“基于切削金属纤维的甲醇燃料电池多孔流场板制造及优化基础研究”。经过4年的刻苦攻关，他们针对DMFC的结构和操作特点，创造性地提出采用多齿切削工艺加工金属纤维并经过高温烧结制造多孔流场板的技术路线，打通了从制造源头提升电池性能的途径，在国内外均属首创。他们还重点研究了工艺参数对纤维表面形貌生成及烧结成形过程的影响机理和控制策略，研究纤维表面形貌的宏/微统一描述方法，构建三维网状结构拓扑模型和几何约束关系，在表征多孔流场板结构及关键物化特性的基础上研究其对电池性能的影响规律，优化流场板在反应物和产物高效管理中的功能机制。这在燃料电池的研究中具有较突出的创新性。
　　除此之外，项目团队还构建了集工艺、结构和功能等参数于一体的优化链，显著提升了电池性能。这种优化方法在燃料电池的传质机制研究中尚属罕见。因此，项目在执行期间，还获得了国家优秀青年科学基金项目的支持。因其出色的研究成果，该项目在“第十八届国际制造会议（IMCC2019）”上被评为2018年度机械学科十大优秀结题项目。不鸣则已，一鸣惊人，袁伟凭着过硬的机械制造功底和敏锐的前瞻视野，在燃料电池基础理论研究领域闯出了一片天，成长为国家级科技创新领军人才。
　　
系统研发 破解应用难题
　　氢被视为“21世纪的终极能源”、未来的能源货币，氢能燃料电池汽车因高效、节能、零排放等优势受到各国政府的高度重视，被认为是解决汽车发展带来的能源危机和环境污染问题的理想途径，是全球能源竞争新的战略制高点。全球主要发达国家如日本、美国、德国等均已开始积极部署发展氢能源及燃料电池汽车产业。
　　我国亦积极部署，在《中国制造2025》《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》（征求意见稿）等重要纲领性文件中，已将燃料电池汽车作为重点发展领域，明确提出燃料电池汽车实现商业化运行的总体目标。目前全国已有20多个省份制定出台了氢能源及燃料电池汽车产业发展规划和配套政策。作为先行先走的试验区，广东省也就《广东省加快氢燃料电池汽车产业发展实施方案》公开征求意见。放眼国际，环视国内，氢燃料电池汽车研发应用已经呈现如火如荼之势。
　　前途光明，道路曲折。目前，我国在燃料电池乘用车方面尚无量产车型投放市场，主要是燃料电池产品级整车结构设计、燃料电池专用关键零部件开发、热管理、高效能量管理、在线监测与故障诊断、氢-电安全技术、测试评价体系以及批量生产制造工艺等方面的关键问题尚未解决。千帆竞渡，百舸争流。谁能率先破解技术难题，谁就将成为这一轮竞争的弄潮儿。
　　2019年，广东省重点研发计划项目“燃料电池乘用车整车集成及动力系统平台开发”启动。在燃料电池研发和应用领域有深厚积淀和技术储备的袁伟当仁不让，率领团队与广州汽车集团股份有限公司等单位一起展开协同攻关，迎难而上，合作开展研究，致力于推进燃料电池乘用车示范运行推广，以支撑广东省氢能与燃料电池发展战略的实施。
　　作为技术支撑单位，袁伟和团队着力燃料电池动力系统水/热管理及冷启动技术研究。当燃料电池与整车系统连接，尤其是涉及实际应用，各种因素叠加耦合，各种系统都必须充分考量，可以说是困难重重。他们不仅需要建立燃料电池水管理模型，研究产物水的扩散过程及聚集过程的传质行为机制；基于燃料电池系统分析，对动力系统水管理提出准确需求。还要基于燃料电池电堆及系统零部件散热特性，对标分析国际先进燃料电池动力系统热管理方案，研究高能效热管理技术。此外，还需研究燃料电池低温传热特性，结合试验，分析燃料电池自启动、外部辅助启动等技术方案的优缺点，提出燃料电池低温启动解决思路与方案。
　　无限风光在险峰。正因为前路艰难，才更有机会看到最美的风景。拿燃料电池动力系统高效热管理来说，PEM燃料电池工作温度相对较低，与环境温差小，导致热管理开发难度大，是袁伟和团队要解决的关键问题。
　　“氢能燃料电池本质上属于质子交换膜燃料电池范畴。如果动力系统温度过高，会导致质子交换膜脱水从而致使质子传导率降低；如果温度过低，则会降低催化剂活性导致电池性能下降；如果温度不平均，会导致质子交换膜受热不均匀，燃料电池寿命将会降低。”袁伟介绍。为了解决这个“高不成低不就”的尴尬难题，他和团队结合实验和仿真分析手段，创造性地开发了基于单向热管的被动式高效散热模块：当电池温度不高时，主要依靠被动式散热；当电池温度高于设定值，水循环冷却启动；同时，制定被动式散热和水循环散热分级启动策略，解决水循环冷却能耗过大的问题。
　　在理论研究上，袁伟站在高处，用大系统多因素耦合的研发思维通盘考虑电池的性能；在实际应用中，他又脚踏实地，深入细节，用系统综合分析的方法来解决子系统的难题。合而不分，分而为合，蕴含着独到的科研哲学思维。
　　
薪火相传 成为优秀的自己
　　袁伟应该是记者采访过求学和工作经历最简单的科研人员了。无论是求学还是工作，他的选择都是华南理工大学，这一晃就是近20年。在人才流动异常频繁的当下，他的这种执着和感恩显得尤为珍贵。
　　然而，他的经历又是“不简单”的。在这近20年的时光里，一半时间，他是在求学深造，他如饥似渴地学习专业知识，在导师汤勇教授的指导下自主研发、茁壮成长，博士毕业时被选为优秀毕业生代表在毕业典礼发表演讲，博士论文被评为“广东省优秀博士学位论文”；另一半时间，则是在科研教学，用所学本领创新研究，培养新一代，先后两次被破格晋升，主持各类项目20余个，入选国家级、省级多个人才计划，已经从懵懂少年快速成长为学科最年轻的领军人才。
　　作为机械制造及自动化学科方向带头人，袁伟的研究团队有20多人。这是一支年轻的队伍，成员大多是硕士、博士，他十分注重对团队年轻人的“传帮带”，甘心“做学生的良师益友”。平时，他是朋友，可以和学生一起开玩笑、谈天、聚餐、唱歌；工作时，他是严师，做课题时，要求学生“用最饱满的热情，用最认真的态度去做”。劳逸结合，全力以赴，整个团队氛围既轻松又严肃。玩，就玩个痛快；研究，就你追我赶，精益求精。多年来，袁伟的学生已经步入工作岗位，很多都已经成为单位骨干，每年都有学生入选广东省优秀研究生。“很多学生来的时候是‘小绵羊’，等毕业的时候已经成了‘大老虎’，有时我还得泼泼冷水。”聊起学生，袁伟非常骄傲。
　　理论创新在左，服务应用在右，团队教学在中间，一路耕耘，一路播撒，一路收获。这便是袁伟的科研之路，他还将一直走下去。