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氫能與燃料電池是全球能源技術(shù)革命的重要方向，更是應(yīng)對全球氣候變化、保障國家能源供應(yīng)安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。
11月29日，HVFC 2023 中國（成都）氫能汽車與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會（以下簡稱“大會”）在四川成都成功召開。
加拿大國家工程院院士、廣州大學(xué)教授、鴻基創(chuàng)能副董事長兼首席技術(shù)官葉思宇發(fā)表了主題為《燃料電池技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同發(fā)展》的精彩演講，以視頻方式呈現(xiàn)。
葉思宇院士從氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景切入，分析了燃料電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為燃料電池關(guān)鍵材料的創(chuàng)新研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的協(xié)同發(fā)展將在助力燃料電池大規(guī)模商業(yè)化中起到至關(guān)重要的作用。
01氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景
目前，“碳達(dá)峰、碳中和”已成為全球共識。葉思宇院士在演講中表示，氫能是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑之一，已成為許多經(jīng)濟(jì)體碳中和投資計(jì)劃的核心要素。
氫能作為一種清潔、高效、儲量大的可再生能源，為各行業(yè)脫碳提供了重要途徑，目前氫能已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)能源的多個方面。
從能源構(gòu)成方面看，發(fā)電和工業(yè)端是中國碳排放的主要來源，分別占中國碳排放的51%和30%。在發(fā)電領(lǐng)域，即可通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)化為電能，也可利用電解水制氫滿足儲能對于長周期、大規(guī)模、高能量的要求。在工業(yè)領(lǐng)域，氫能可作為燃料和化工原料參與化工行業(yè)的多個環(huán)節(jié)，幫助工業(yè)實(shí)現(xiàn)減碳。
基于可再生能源存在間接性、波動性等問題，葉思宇院士提出，風(fēng)能、太陽能等可再生能源與氫能聯(lián)動，可構(gòu)成“可再生能源-制氫-儲能-發(fā)電”的新型綠色能源體系，發(fā)揮氫能在可再生能源消納、跨長周期電力調(diào)峰等場景的應(yīng)用優(yōu)勢。
02燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
葉思宇院士向大家分享了燃料電池的應(yīng)用場景，強(qiáng)調(diào)成本和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是制約氫燃料電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素。
氫燃料電池的應(yīng)用：乘用車
氫燃料電池的應(yīng)用：其它運(yùn)載車輛
氫燃料電池的應(yīng)用：其它領(lǐng)域
成本方面，在過去的幾年里，燃料電池發(fā)動機(jī)的成本得到了大幅度下降。預(yù)計(jì)到2025年甚至2030年，燃油電池發(fā)動機(jī)的成本可與柴油車、汽油車媲美。當(dāng)然，降本的同時還需進(jìn)一步提升燃料電池的性能和使用壽命，才能有效推動燃料電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。
基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，氫能的儲運(yùn)以及加氫站的布局建設(shè)也將成為實(shí)現(xiàn)燃料電池大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的重要推手。
葉思宇院士表示，規(guī)?；瓦M(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步以及氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展將為燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)帶來成本的迅速下降。
燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要面臨的問題是核心技術(shù)和關(guān)鍵部件缺失。針對產(chǎn)業(yè)存在的問題，應(yīng)重點(diǎn)圍繞燃料電池汽車關(guān)鍵零部件核心技術(shù)攻關(guān)，即氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈中八項(xiàng)“卡脖子”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層；膜電極、雙極板；電堆、空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵。
不僅如此，開展燃料電池產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，是支持燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的重要手段。目前，北京、上海、廣東等地先后成為國家首批燃料電池示范城市群，葉思宇院士表示，國家首批燃料電池示范城市群正式啟動示范，將極大地加速氫燃料電池的自主化和商業(yè)化進(jìn)程。
03燃料電池關(guān)鍵材料創(chuàng)新研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的協(xié)同發(fā)展
電堆是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中的重要組成部分，由膜電極和雙極板構(gòu)成，其承接了從氫氣的制取到燃料電池應(yīng)用這關(guān)鍵一環(huán)。膜電極是燃料電池的功能中心，隨著量產(chǎn)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，膜電極在電堆成本中的占比有望從60%下降至47%。從某種意義上說，膜電極成本的下降是推動燃料電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化成本下降的關(guān)鍵因素。
近年來，多國科學(xué)家和工程師對實(shí)現(xiàn)成本目標(biāo)的關(guān)鍵研發(fā)領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括功率密度、壽命、電堆及其關(guān)鍵材料及其智能制造，這為燃料電池在2028年到2030年期間達(dá)到商業(yè)化所需要的目標(biāo)成本打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
現(xiàn)階段，新型燃料電池催化劑的研發(fā)成果層出不窮，但從關(guān)鍵材料的研發(fā)到落地商業(yè)化應(yīng)用還需完成大量的工程化驗(yàn)證，需要協(xié)同考慮催化劑、炭載體、離聚物、催化劑層相態(tài)等諸多因素，以獲得催化劑在燃料電池中最優(yōu)性能和壽命。葉思宇院士表示，其中需進(jìn)一步改善的科學(xué)問題是納米-介觀的跨尺度協(xié)同增效問題，需要各界專家學(xué)者共同發(fā)力。
從關(guān)鍵材料的研發(fā)到器件設(shè)計(jì)，需要精密化、智能化的制備工藝。葉思宇院士播放視頻向大家展示了膜電極的精密化制造過程，并強(qiáng)調(diào)膜電極產(chǎn)品的良品率和一致性在很大程度上會影響到電堆的性能，為此在智能制造的過程中需經(jīng)歷嚴(yán)格的質(zhì)量巡檢，氣密性全檢以保障產(chǎn)品質(zhì)量。
氫燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的工程化驗(yàn)證“傳統(tǒng)”上是層層遞進(jìn)，首先是核心關(guān)鍵材料物理、化學(xué)、機(jī)械性能的測試驗(yàn)證，到膜電極MEA的輸出功率和穩(wěn)定性，再到燃料電池電堆在多工況條件下性能和穩(wěn)定性評估與燃料電池系統(tǒng)與BOP部件的集成和驗(yàn)證，最后到燃料電池汽車在真實(shí)環(huán)境條件下的運(yùn)行。但是，要實(shí)現(xiàn)從關(guān)鍵材料在產(chǎn)品上的快速應(yīng)用需要創(chuàng)新的工程驗(yàn)證過程，即雙向的全產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同驗(yàn)證過程。所有下游的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，可借助大數(shù)據(jù)及時向上游反饋并改進(jìn)，同時還能為下一代燃料電池的研發(fā)提供新的思路與參考。
不僅如此，產(chǎn)品的耐久性和壽命、低溫儲存和啟動驗(yàn)證對燃料電池大規(guī)模商業(yè)化起著保障作用，也為實(shí)現(xiàn)整個生命周期成本下降發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
葉思宇院士在演講中著重指出，燃料電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化是一個系統(tǒng)工程。氫燃料電池關(guān)鍵材料研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化在燃料電池大規(guī)模商業(yè)化中起著至關(guān)重要的作用，以產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向的產(chǎn)、學(xué)、研、用的緊密合作是關(guān)鍵材料不斷更新?lián)Q代的最佳路徑，燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈多層級工程化驗(yàn)證過程的密切配合更是我國研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的巨大優(yōu)勢。
最后，葉思宇院士向大家介紹了氫能與燃料電池的前景（2030-2050）。國際氫能委員會指出，預(yù)計(jì)到2030年，綠氫需求將增長到7500萬噸，其中三分之二將來自鋼鐵、工業(yè)、交通、航空和海運(yùn)等新市場。業(yè)界的最終目標(biāo)是，到2050年，氫能在零碳排放解決方案中占到總體的20%。
國際氫能委員會的“零凈氫“報告表明，到本世紀(jì)中葉，氫可以為超過五分之一的最終能源需求提供低成本的脫碳解決方案，累計(jì)減少800億噸二氧化碳——這將是達(dá)到全球變暖不超過1.5℃目標(biāo)的一項(xiàng)基本解決方案。
在未來十年內(nèi)，全球?qū)稍偕吞細(xì)淠艿男枨髮⒃鲩L50%。到2030年，轉(zhuǎn)化為年二氧化碳減排量，相當(dāng)于英國、法國和比利時二氧化碳年排放量的總和。然而，實(shí)現(xiàn)這一切，需要現(xiàn)在大力擴(kuò)大生產(chǎn)、改善基礎(chǔ)設(shè)施、推廣氫能應(yīng)用。正如國際氫能委員會執(zhí)行董事達(dá)里爾·威爾森所說，“簡而言之，沒有氫能就沒有氣候解決方案?！?/span>
得益于傳統(tǒng)能源企業(yè)和氫能燃料電池的“聯(lián)誼”，氫能燃料電池發(fā)展迅速。氫能燃料電池發(fā)展不再是一個純粹燃料電池汽車的發(fā)展，而是與整個能源體系密切相關(guān)。正因?yàn)榇?，未來氫網(wǎng)和電網(wǎng)通過“氫-電轉(zhuǎn)換”的有效聯(lián)接，構(gòu)成清潔、高效的終端用能系統(tǒng)，將會為可持續(xù)性健康發(fā)展的未來社會提供堅(jiān)實(shí)的保障。
