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科技公开课 | 叶思宇院士:氢燃料电池车离我们还有多远?

来源:广州市科学技术协会 发布时间:2022-05-07 浏览量:219

4月28日,国家发改委发布消息称,根据近期国际市场油价变化情况,按照现行成品油价格形成机制,自2022年4月28日24时起,国内汽、柴油价格每吨分别提高205元和200元。至此,成品油价格迎来年内“第七涨”。


国际油价的高波动,这让人想起816辆服务北京冬奥会的氢燃料电池汽车。那么氢燃料电池汽车离我们有多远?氢燃料电池汽车的优势和目前的不足是什么?4月29日下午,在由广州市科协、广州日报主办的第193期广州科普大讲坛上,加拿大国家工程院院士、鸿基创能科技(广州)有限公司副董事长兼首席技术官叶思宇分享了氢燃料电池大规模商业化所需要解决的难题。


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叶思宇院士


叶思宇院士在电化学尤其是燃料电池方面具有30余年研发和产业化经验,并且是国际公认的燃料电池电催化和膜电极的领军人物。他带领团队关于燃料电池电堆冷启动和耐久性技术的发明,从根本上推动了整个燃料电池产业的商业化进程。

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根据国际能源机构的统计,随着GDP和全球人口的增长,全球能源需求自1950年以来已经增加了7倍。而能源需求的增加伴随着温室气体排放的急剧增加。


《2019世界气象组织(WMO)温室气体公告》显示:大气中吸热性温室气体水平连年突破历史记录,极端天气、自然灾害明显增多,对自然生态环境产生重大影响,对人类经济社会发展构成重大威胁。


“发展和减排并不矛盾,它们的共同目的都是为了更好地改善人们的生存环境,关键是要探索一种低碳的可持续的发展模式,在维持发展的同时降低二氧化碳等温室气体排放 。”叶思宇说,中国向世界作出了“碳排放力争2030年前达到峰值,争取2060年前实现碳中和”的承诺,中国能源结构肯定要进行相应的调整。氢能与燃料电池在减排及能源结构转型中发挥着至关重要的作用。


“氢是最轻的元素,来源广泛,用途多样。氢气在1776年已经被发现。早在1888年,科学家就通过电解水制氢的方法。氢气与水密切相关。在英语或日语中,氢就叫水素。氢气可谓是水的创造者。”叶思宇说道。


由于制氢方式不同,氢气可分为灰氢、蓝氢、绿氢。通过化石燃料(例如石油、天然气、煤炭等)燃烧产生的氢气,为灰氢。将天然气通过蒸汽甲烷重整或自热蒸汽重整制成的氢气,为蓝氢。通过使用再生能源(例如太阳能、风能、核能等)制造的氢气为绿氢。灰氢和蓝氢在制作过程都会有二氧化碳排队。在生产绿氢的过程中,完全没有碳排放,但是成本较高。


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加拿大的加氢站


那么氢气作为能源是否安全呢?叶思宇说,与天然气、汽油的物理和化学性质相比,氢气安全性更高,这主要源于氢气是最轻的元素。氢气不易形成可爆炸的气雾,且其泄露能量和爆炸当量较低。氢气的扩散速度是天然气的3.8倍,但泄露能量仅约为天然气的40%。氢气还具有最大的浮力和扩散性,泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散,使得浓度难以达到爆炸所需浓度。

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氢能利用的一个重要环节就是燃料电池。燃料电池便是利用氢和氧气的电化学反应产生电能的过程。且在反应中过程,唯一的产物就是水,非常清洁。“燃料电池车辆效率非常高,加氢的过程只需要三到五分钟。这是燃料电池相比锂电池巨大的优势。”叶思宇说。


说起氢燃料电池,人们第一时间想到的是氢燃料电池汽车。2014年,丰田推出了第一代氢燃料电池电动车Mirai,此后现代、大众、奥迪、奔驰等公司也推出燃料电池量产车或者样品车。2022年北京冬奥会共计投入使用816辆氢燃料电池汽车作为主运力开展示范运营服务,是迄今为止在重大国际赛事中投入规模最大的。


叶思宇说,氢燃料电池车在发展过程中一直被世界上的跨国公司所主导的。从规模化商用的角度看,氢燃料电池不仅要环保,在性能和寿命上也要与有100多年历史的燃油车媲美。“氢燃料电池要实现成本的下降,同时也要把性能提高、寿命增加当成重要研发任务。”他表示。


在叶思宇看来,氢燃料电池的原理讲起来很简单,但是真正实现商业化却面临诸多挑战。无论是上游原料研发,或是中游燃料电池膜电极、电堆系统等等关键零部件的开发,其中涉及非常多的学科和领域。


“单一个人、单一团队难以实现燃料电池的整个产业化,这是真正的系统工程。”叶思宇说道。叶思宇2000年加入了世界上最重要的燃料电池生产商——巴拉德公司,此前他在燃料电池电化学领域有十几年的研究和工作经历。但当加入巴拉德时,他竟然发现自己什么都不懂了。


“我熟知电化学领域的科学知识和术语,但在这家公司,大家更加多谈论的是加速、减速、衰减、机械力学、流体力学。这种博士生变成了本科生的感觉,让我潜下心来学习。”叶思宇说道。

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叶思宇说,在氢能燃料电池产业链的协同过程中,需要政、产、学、研、用的紧密结合。材料领域需要大学和科研院所的基础研究。核心部件的研发需要工程化验证,也需要供应链合作伙伴紧密配合,最终争取到广大用户。最终新的基础研究课题则可以继续从用户的需求中提炼,由此形成一个闭环。


氢燃料电池要成为产品,便不能永远在实验室里进行各种验证测试,一定要放在真正的场景去接受挑战。低温环境就是氢燃料电池必须跨过的一关。比如燃料电池最重要的产物就是水。水会在低温环境下结冰,如此会导致氢气与氧气很难进入燃料电池进行反应。若氢气无法进入,燃料电池会出现反极(正极变负极、负极变正极)的状况,这会导致性能衰减、寿命减少。


为此叶思宇带领团队开发了一款抗反极的催化剂和膜电极,保证了燃料电池在冷启动时迅速升温并保持性能稳定。2021年7月,河钢集团30辆49吨的氢能重卡已在河钢唐钢新区正式投入运营,由两家电堆公司均使用鸿基创能膜电极,月平均运行里程9000公里,目前运行稳定。


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氢能重卡


就目前而言,相比于锂电池车和燃油车,燃料电池车成本相对较高。叶思宇说,氢燃料电池目前正处于大规模商业化的初期。但目前氢行业的成熟度已经达到了一个新水平,并且还在加速,预计2030年燃料电池车应该会与燃油车或锂电池车的成本相当。


“氢行业的快速发展依赖于跨行业、跨区域的合作、整合和创新。氢燃料电池全产业链多层级工程化验证过程的密切配合是我国研发和产业化发展的巨大优势。”叶思宇说。



来源:广州日报

作者:龙锟