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叶思宇院士:《产学研结合在燃料电池产业化中的重要作用》

4月22日,为期两天的成都首届国际氢能及燃料电池产业大会在成都世纪城国际会议中心盛大开幕。

本次大会是在四川省经济和信息化厅、中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟指导下,由中国东方电气集团有限公司和成都市氢能及燃料电池产业发展促进会联合主办,成都市经济和信息化局协办,由势银、东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司、成都华气厚普机电设备股份有限公司、国家能源集团大渡河流域水电开发有限公司、清华四川能源互联网研究院、四川省能源投资集团有限责任公司、成都客车股份有限公司、四川省汽车产业协会等单位联合承办。

在该产业大会上,鸿基创能董事兼首席技术官、加拿大国家工程院叶思宇院士,带来以《产学研结合在燃料电池产业化中的重要作用》为主题的演讲。

叶思宇院士

以下是本次大会叶思宇院士的演讲实录:

陶院士、干院士,各位嘉宾,同事们,大家早上好,非常感谢东方电气的邀请。刚才两位院士从宏观层面到微观层面都讲的非常清楚了。我今天主要讲产学研结合在燃料电池产业化的重要应用。

大家都在讨论燃料电池到底是环境驱动还是技术和产品的要求驱动? 其实我觉得两个都有。这几十年来,随着人口的增长,对能源需求提出了更大的要求。从1965年到2015年可以看出能源的需求增长巨大,很遗憾这种增长需求当中再生能源比起传统能源的增长相对比较缓慢,这就使二氧化碳气体排放增加相当快。为此,国际环境保护组织、巴黎协议要求我们的温室释放气体要比1990年还要低,最好达到1990年排放的的60%甚至80%水平。仅以小轿车为例子,如果继续使用传统汽油/柴油车,温室气体排放会继续加大。如果加上刚才两位院士所介绍重卡和大巴, 情况就更糟了。如果改用纯电动车, 情况会会改善,但是仍然高于1990温室气体排放60%的水平。只有当我们都用燃料电池轿车的时候,温室气体排放量才会达到我们所要求的理想水平,也就是1990年排放的80%的水平。

大家可以看到,世界很多国家都出台了禁售燃油车的时间表,从2025年一直到更晚的时间。尽快很多人对这些政策制定的具体时间表示怀疑,但是,如果我们不去追究具体的时间,至少这是未来能源发展的趋势,就是新能源汽车会逐渐取代传统的燃油汽车。幸运的是,我们中国海南省也率先制定出了这样一个政策,也就是在2030年禁止销售和使用燃油汽车。

那么,氢能和燃料电池在应对全球气候变化和能源需求的增长中扮演一个什么样的角色呢?其实氢很多人很熟悉,只是我们原来没有把它单独来考虑。氢是一种很清洁的能源载体,它在我们人类很多地方和日常生活中都广泛应用的使用到,包括刚才干院士提到的炼钢、金属加工,甚至平常的食品和化妆品方面也广泛使用氢。氢的来源也多种多样,包括用传统化石原料-煤和天然气制氢,用核制氢,甚至用可再生能源-风能、太阳能和电解水制氢。氢能并不等于燃料电池,更不等于燃料电池汽车,燃料电池只是氢能用的一个窗口。燃料电池汽车既然是一个窗口,我们就要展示它跟传统的汽油车、柴油车相比,有什么好处。首先,由于我们不经过卡洛循环这个过程,所以效率会更高;由于它使用加氢这种方式跟传统加油很相似,所以加氢时间很短;由于整个过程是电化学过程,没有经过燃烧等过程,所以燃料电池运行起来很安静;更重要的是,它的反映产物是水,所以是清洁的,零排放,刚才陶院士也提到。除了燃料电池汽车以外,燃料电池也可以用于家庭热电联用,甚至发电方面。另外一点,我想强调的是,氢能对国家能源安全性的重要作用。我们国家尽管煤很丰富,但石油长期依赖进口,如果氢能作为未来能源的主要部分,就有可能为我们国家的能源安全提供重要保障。

人们可能会问,既然燃料电池这么好,它为什么还没有大规模产业化?它的发展现状是什么?未来还会遇到什么问题?可能很多人相信,2018年以来燃料电池这么热,跟丰田推出氢能燃料电池汽车有很大的关系。其实除了丰田以外,很多的汽车公司像奔驰、本田、现代、大众奥迪在氢燃料方面也有较大布局。我们国家对燃料电池车的关注更倾向于大巴车和物流车。目前,已经有上千辆燃料电池大巴车和物流车在中国上海、北京、佛山、云浮、广州等地运行。

除了刚才说的轿车、大巴车和物流车以外,燃料电池在重型车辆,比如说轨道交通和火车上面也有在示范运行。刚才两位院士也说到燃料电池在重载汽车方面的应用应该是更实用的领域,尤其是重型卡车这类污染大户。如果使用电池作为唯一动力,一个几十吨大卡车要运行一千公里,则需要好几顿的电池装在卡车上。所以人们经常会问你到底在运货还是在运电池。在重卡领域,纯电动车无法和氢燃料电池车比美。另外,在军用卡车上,燃料电池应该也有很大的应用,除了本身作为动力系统,还不容易被发现。

燃料电池在其他领域应用也很广泛,比如紧急备用电源。很多年前在加勒比海遭受飓风的时候,同时有电池、柴油和燃料电池备用电源在运行,只有燃料电池在那几天内能够连续提供所需要的电力。在日本,热电联用的燃料电池产品已经有几十万户家庭在使用。其实,燃料电池在叉车领域的应用可能是最成熟的商业化应用。现在在美国有几万两燃料电池叉车在沃尔马等储存仓库运行。它的一个优点是效率高。过去使用电池叉车通常需要同时三套电池:一套电池用来运行,一套电池用来充电,另外一套电池则需要降温。燃料电池彻底克服了这个缺点,加氢只需要三到五分钟。另外一个优点是燃料电池叉车的功率一天不会减低,而电池叉车则会在8小时的最后阶段由于功率下降,常常举不到最高点,而燃料电池完全没有这方面的问题。

目前,很多国家已经对氢能和燃料电池的发展进行了规划和布局。刚才两位院士已经讲了,我就不再重复了。

燃料电池的研发和产业化过程当中还有什么问题?为什么我们要强调产学研结合才能发挥更好的作用?刚才讲到燃料电池在发展过程中,最先是各大汽车公司在占主导作用。这是好事,也很有挑战性。好事就是一开始起点就非常高,它要求我们跟已经发展了100多年的燃油汽车相比不能有任何缺点,所以我们常常强调燃料电池的适用性要跟传统汽车一样。而且真正的产业化产品不仅要在理想工况下要传统燃油车的水平,在各种极端条件下(如低温启动运行)也要一样好,甚至更好。目前,燃料电池的成本任然是制约其大规模商业化的重要因素。但是,燃料电池成本的下降不能伴随着对任何性能和寿命的衰减。所以要大规模商业化不仅要降低成本,而且要让性能甚至寿命进一步提高。这真的是一个很大的挑战。所以,除了加氢站等基础设施建设外,成本和寿命是燃料电池技术大规模产业化挑战的一个主要方面。同国外燃料电池的发展相比,国内燃料电池产业化还是存在一些相对的弱势,尤其是在关键材料、系统附件和性能指标方面跟国外都还是有一定差距。刚才干院士特别提到国内很多燃料电池的关键技术和系统进步都很大,但是在膜电极,尤其是高功率膜电极和大批量生产能力方面,差别还是很大。

燃料电池是一个很复杂的系统工程,它涉及的方方面面非常多,涉及材料科学和工程、电化学、热力学、机械和能量传输过程等多学科的知识。所以,它不能简单把材料装配在一起,就能得到一个好的产品。这些组装好的材料需要同时进行电化学反应,还有传输水、氢气或者氧气,以及传递电子、质子和热。就是这个只有20微米的膜电极决定了燃料电池的性能、寿命,当然还有成本。这就是我们为什么膜电极是燃料电池的核心,就像芯片在电脑和手机里面的作用一样。膜电极的生产不仅是设计问题,还有工艺工程问题。只有获得成分和结构都非常理想的情况下,它才能产生我们所需要的性能和寿命。只有不断地更新和优化,我们才能把成本进一步下降。所以这方面除了电化学家、材料科学家和工程师努力以外,还需要其他领域的专家(包括计算模拟专家)的共同支持,才能把膜电极做好,燃料电池的大规模商业化才能实现。总之,这是一个跨学科多领域的系统,所以我认为这需要企业跟大学和研究所密切合作,任何一个个人甚至一个公司都很难把燃料电池产业链的各个方面完全做好。因为我们各自拥有我们各自的优势和强项,当然也有我们的弱项,只有密切合作才能把燃料电池产业化早日实现。

基于这一点,我个人觉得燃料电池产业化必须首先要建立在大学和研究所的基础研究上,我们不能盲人摸象。而一个公司的研发必须是以产品和商业化导向的研发,不应该纯粹是为了发表文章,它的研发成果必须写在产品上。除了产品研发以外,整个产品生产过程的工艺开发也非常重要。只有密切合作才能生产出一代又一代燃料电池产品,才有市场,这当中核心部件是关键的关键,这是拳头产品。刚才强调我们没办法做所有的东西,我们必须跟供应链和合作伙伴合作,这也是非常重要的。

产学研可能是不完整的,要有政产学研用密切合作。我们需要政府对氢能整体进行政策导向;我们不仅要知道目前用户需要什么,还要知道未来用户需要什么。真正的新一代高技术产品不完全是通过市场调查所获得的,下一代产品的应用也许也需要引导并且教育。这句话可能不是太合适,现在的用户也许不知道未来需要什么。所以这一点需要产学研政和用户密切合作,我们才能把燃料电池产业化做的更好。

刚才陶院士详细介绍了燃料电池工作原理,这里想强调燃料电池中间有一个非常重要的关键核心材料叫做催化剂,它是膜电极里面重要组成部分。为什么它重要?因为所有的电化学反应在催化剂上进行;除此以外,它对燃料电池的成本影响很大。也许它在燃料电池小批量生产初期占的比例可能不是很大,但是大规模商业化时,由于其他部件随着规模化和工程化进一步改善成本会急剧下降,但是催化剂的成本可能不会下降。这是由于我们商业化的燃料电池催化剂是基于贵重金属-白金的催化剂,所以它的成本很高。大家可能非常熟悉有各种各样燃料电池催化剂的研发文章发表在各类期刊上。但是,不管是基于铂金或者铂合金催化剂,也包括非贵重金属催化剂,他们在燃料电池产业化中的成熟性是不一样的,有些还处于研发阶段,有些在小规模量产,有的已经商业化了。是不是所有发表的燃料电池催化剂都可以马上放在燃料电池上?这显然不可能的。即使它性能很优越,也得首先批量化生产。这是个非常复杂的过程,并不是所有的单一专家就能做出来。通常人们可能认为规模化很容易,我原来用25毫升的烧杯,改成用成2.5升的烧瓶就能解决。不对的,燃料电池催化剂大规模量产涉及到很多复杂的热电水过程,而且真正商业化并不是简单的放大,最好是连续化的过程制备的。当然,如果我们要等待燃料电池催化剂大规模商业化才开始使用,我们可能等不起。所以昨天有人讲等待不是简单的等待,是要积极的等待。什么是积极的等待? 比如,我们积极跟大学合作,在研发早期阶段就让他们的产品在燃料电池(哪怕是单片或者是短堆)上进行测试,找出它从性能到寿命方面可能的优势和缺点,并及时改进;在它量产化初级阶段及时放到电堆上测试。这一切又取决于大学研究所和工业界的密切合作。再次强调任何一个个人和一个企业要单独做好这一起,可能都非常困难。

为什么我们强调产学研在整个过程当中,不光是材料研发初期的重要性?这里举一个例子,燃料电池催化剂一开始是负载在碳的载体上面,从碳的载体选择到性能测试包括寿命测试都是非常复杂的过程,大学和研究所可能比企业更具备这方面的实力和能力来做这方面的研究。当催化剂负载在碳载体或者其他载体上面以后,怎么控制催化剂活性物质的大小,分布的均匀性甚至跟载体相互作用,这些都是涉及非常复杂的科学和工艺过程。当催化剂放到膜电极上面,还要加上一个重要成分-离聚物。离聚物在膜电极中起到非常重要作用:传导质子。我们既想让它负载在催化剂表现有利于质子传输,但是又不想它把催化剂完全包裹住了,这样也可能会影响气体传输。怎么保证它在三位结构里面有效传输电子质子气体甚至还有传热这是非常需要重视的,它也涉及到非常多科学和工程方面了问题。另外,当我们产品交给用户,我们可能会发现使用过程当中性能会衰减。我们也可以通过加速试验来证实和理解这些变化,然后设计新的结构使它更加稳定。这一切需要各个学科共同努力。

通常我们谈到燃料电池的核心材料和部件对燃料电池影响的时候,通常大家都说需要性能优异、寿命长、和低成本材料,我们才能在各种真实路况下运行好燃料电池汽车,这样燃料电池商业化才有希望。但是,其实这两者是相互联系互相补充的。遗憾的是,我们真的没有一个所谓的理想的燃料电池关键核心材料能够应用到燃料电池的任何工况下都永远不会出任何问题。我们会不断努力,也希望我们能够提供一代比一代的更好燃料电池膜电极和燃料电池产品。但这一切的实现,也需要燃料电池系统工程师对燃料电池的运行工况更合理的控制。这样,我们就能根据他们系统控制的能力提供性能和价格都比较合适的产品。所以我们一定要强调燃料电池的设计、生产、使用真的是相互关联的。燃料电池使用过程中信息和数据的采集分析同样也需要大学研究所和工业界的密切合作,以用于下一代燃料电池产品性能的进一步提高。

基于对产学研重要性的认识,我们在广州成立了粤港湾大湾区氢能研发中心及院士工作站。我们依托鸿基创能、雄川氢能和雄川新能,跟暨南大学和中国科学院广州能源所也有很密切的合作。这是一个完全开放的系统,也希望跟省内外其他高校研究所和国内外其他氢能燃料电池相关的企业共同合作打造燃料电池下一代产品。鸿基创能科技广州有限公司是2017年12月成立的,专注于膜电极的研发和生产。我们的膜电极是用连续的卷对卷的涂布工艺制备的,现在的年设计能力是30万平米。目前的第一代膜电极产品成本比主流要低30%。2019年3月27号我们举行了项目竣工仪式和第一代燃料电池产品的发布仪式。

最后, 我想再次强调,氢能和燃料电池不光是燃料电池汽车,它是我们未来持续发展社会的重要组成部分。当然电网在未来能源传输体系中的地位几乎是不可忽视的,幸运的是氢是很好的媒介(电(特别是可再生能源)可以用来产生氢,氢可以用来发电),它可以与电并轨。通过氢能与电网并轨,我们人类社会就能够实现持续健康的发展。谢谢大家!

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