葉思宇院士：氫行業(yè)快速發(fā)展依賴于跨行業(yè)合作、整合和創(chuàng)新

 

國際油價的高波動，這讓人想起816輛服務(wù)北京冬奧會的氫燃料電池汽車。那么氫燃料電池汽車離我們有多遠？氫燃料電池汽車的優(yōu)勢和目前的不足是什么？加拿大國家工程院院士葉思宇近日分享了氫燃料電池大規(guī)模商業(yè)化所需要解決的難題。

 

 

葉思宇院士在電化學(xué)尤其是燃料電池方面具有30余年研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，并且是國際公認的燃料電池電催化和膜電極的領(lǐng)軍人物。他帶領(lǐng)團隊關(guān)于燃料電池電堆冷啟動和耐久性技術(shù)的發(fā)明，從根本上推動了整個燃料電池產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化進程。

 

 

根據(jù)國際能源機構(gòu)的統(tǒng)計，隨著GDP和全球人口的增長，全球能源需求自1950年以來已經(jīng)增加了7倍。而能源需求的增加伴隨著溫室氣體排放的急劇增加。

 

《2019世界氣象組織（WMO）溫室氣體公告》顯示：大氣中吸熱性溫室氣體水平連年突破歷史記錄，極端天氣、自然災(zāi)害明顯增多，對自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，對人類經(jīng)濟社會發(fā)展構(gòu)成重大威脅。

 

 

“發(fā)展和減排并不矛盾，它們的共同目的都是為了更好地改善人們的生存環(huán)境，關(guān)鍵是要探索一種低碳的可持續(xù)的發(fā)展模式，在維持發(fā)展的同時降低二氧化碳等溫室氣體排放。”葉思宇說，中國向世界作出了“碳排放力爭2030年前達到峰值，爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的承諾，中國能源結(jié)構(gòu)肯定要進行相應(yīng)的調(diào)整。氫能與燃料電池在減排及能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

 

“氫是最輕的元素，來源廣泛，用途多樣。氫氣在1776年已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。早在1888年，科學(xué)家就通過電解水制氫的方法。氫氣與水密切相關(guān)。在英語或日語中，氫就叫水素。氫氣可謂是水的創(chuàng)造者。”葉思宇說道。

 

由于制氫方式不同，氫氣可分為灰氫、藍氫、綠氫。通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產(chǎn)生的氫氣，為灰氫。將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣，為藍氫。通過使用再生能源（例如太陽能、風(fēng)能、核能等）制造的氫氣為綠氫。灰氫和藍氫在制作過程都會有二氧化碳排隊。在生產(chǎn)綠氫的過程中，完全沒有碳排放，但是成本較高。

 

那么氫氣作為能源是否安全呢？葉思宇說，與天然氣、汽油的物理和化學(xué)性質(zhì)相比，氫氣安全性更高，這主要源于氫氣是最輕的元素。氫氣不易形成可爆炸的氣霧，且其泄露能量和爆炸當量較低。氫氣的擴散速度是天然氣的3.8倍，但泄露能量僅約為天然氣的40%。氫氣還具有最大的浮力和擴散性，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴散，使得濃度難以達到爆炸所需濃度。

 

 

氫能利用的一個重要環(huán)節(jié)就是燃料電池。燃料電池便是利用氫和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的過程。且在反應(yīng)中過程，唯一的產(chǎn)物就是水，非常清潔。“燃料電池車輛效率非常高，加氫的過程只需要三到五分鐘。這是燃料電池相比鋰電池巨大的優(yōu)勢。”葉思宇說。

 

 

說起氫燃料電池，人們第一時間想到的是氫燃料電池汽車。2014年，豐田推出了第一代氫燃料電池電動車Mirai，此后現(xiàn)代、大眾、奧迪、奔馳等公司也推出燃料電池量產(chǎn)車或者樣品車。2022年北京冬奧會共計投入使用816輛氫燃料電池汽車作為主運力開展示范運營服務(wù)，是迄今為止在重大國際賽事中投入規(guī)模最大的。

 

葉思宇說，氫燃料電池車在發(fā)展過程中一直被世界上的跨國公司所主導(dǎo)的。從規(guī)模化商用的角度看，氫燃料電池不僅要環(huán)保，在性能和壽命上也要與有100多年歷史的燃油車媲美。“氫燃料電池要實現(xiàn)成本的下降，同時也要把性能提高、壽命增加當成重要研發(fā)任務(wù)。”他表示。

 

在葉思宇看來，氫燃料電池的原理講起來很簡單，但是真正實現(xiàn)商業(yè)化卻面臨諸多挑戰(zhàn)。無論是上游原料研發(fā)，或是中游燃料電池膜電極、電堆系統(tǒng)等等關(guān)鍵零部件的開發(fā)，其中涉及非常多的學(xué)科和領(lǐng)域。

 

“單一個人、單一團隊難以實現(xiàn)燃料電池的整個產(chǎn)業(yè)化，這是真正的系統(tǒng)工程。”葉思宇說道。葉思宇2000年加入了世界上最重要的燃料電池生產(chǎn)商——巴拉德公司，此前他在燃料電池電化學(xué)領(lǐng)域有十幾年的研究和工作經(jīng)歷。但當加入巴拉德時，他竟然發(fā)現(xiàn)自己什么都不懂了。

 

“我熟知電化學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)知識和術(shù)語，但在這家公司，大家更加多談?wù)摰氖羌铀佟p速、衰減、機械力學(xué)、流體力學(xué)。這種博士生變成了本科生的感覺，讓我潛下心來學(xué)習(xí)。”葉思宇說道。

 

 

葉思宇說，在氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同過程中，需要政、產(chǎn)、學(xué)、研、用的緊密結(jié)合。材料領(lǐng)域需要大學(xué)和科研院所的基礎(chǔ)研究。核心部件的研發(fā)需要工程化驗證，也需要供應(yīng)鏈合作伙伴緊密配合，最終爭取到廣大用戶。最終新的基礎(chǔ)研究課題則可以繼續(xù)從用戶的需求中提煉，由此形成一個閉環(huán)。

 

氫燃料電池要成為產(chǎn)品，便不能永遠在實驗室里進行各種驗證測試，一定要放在真正的場景去接受挑戰(zhàn)。低溫環(huán)境就是氫燃料電池必須跨過的一關(guān)。比如燃料電池最重要的產(chǎn)物就是水。水會在低溫環(huán)境下結(jié)冰，如此會導(dǎo)致氫氣與氧氣很難進入燃料電池進行反應(yīng)。若氫氣無法進入，燃料電池會出現(xiàn)反極（正極變負極、負極變正極）的狀況，這會導(dǎo)致性能衰減、壽命減少。

 

為此葉思宇帶領(lǐng)團隊開發(fā)了一款抗反極的催化劑和膜電極，保證了燃料電池在冷啟動時迅速升溫并保持性能穩(wěn)定。2021年7月，河鋼集團30輛49噸的氫能重卡已在河鋼唐鋼新區(qū)正式投入運營，由兩家電堆公司均使用鴻基創(chuàng)能膜電極，月平均運行里程9000公里，目前運行穩(wěn)定。

 

就目前而言，相比于鋰電池車和燃油車，燃料電池車成本相對較高。葉思宇說，氫燃料電池目前正處于大規(guī)模商業(yè)化的初期。但目前氫行業(yè)的成熟度已經(jīng)達到了一個新水平，并且還在加速，預(yù)計2030年燃料電池車應(yīng)該會與燃油車或鋰電池車的成本相當。

 

“氫行業(yè)的快速發(fā)展依賴于跨行業(yè)、跨區(qū)域的合作、整合和創(chuàng)新。氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈多層級工程化驗證過程的密切配合是我國研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的巨大優(yōu)勢。”葉思宇說。