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叶思宇院士:示范城市群背景下膜电极的创新研发和产业化思路

日期:2021-12-17    来源:UNDP

国际氢能网

2021
12/17
09:28
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关键词: 氢能燃料电池 双碳目标 可再生能源发电制氢

近日,2021联合国开发计划署氢能产业大会在佛山市南海区西樵山文化中心隆重召开。加拿大工程院院士叶思宇在会上发表讲话,以下为发言原文。

叶思宇 加拿大工程院院士、广州大学教授、鸿基创能副董事长兼首席技术官

尊敬的各位领导,各位专家,老师们和同学们,非常感谢大会的邀请使得我有机会在院士论坛上向各位分享一下氢能燃料电池创新研发和产业化发展的一些想法,特别是在示范城市群启动背景、“双碳”目标下,讨论这个问题可能更有新意。我想分三个部分内容汇报,一是背景,二是燃料电池关键材料的创新研发和产业化面临的挑战与机遇,三是简单小结。

其实,前面一部分我非常容易讲,因为前面三位院士已经从氢气、氢能等层面的科学技术、工程问题做了全面的阐述,对我们今天为什么要搞氢能,今天早上和今天下午各个报告已经讲得很仔细,我不重复了。

一、背景

我想强调碳排放涉及的领域不仅是交通领域,所以我们经常讲燃料电池主要的应用领域是车用或者运输领域,其实氢能和燃料电池的结合在更多领域上能够是起到更多大作用,某种意义上,我经常开玩笑说把燃料电池和锂电为代表的电动汽车直接进行比较,从某种意义上拉低了氢能燃料电池的作用和意义。

在整个“双碳”目标下,从碳减排、碳达峰这个关键的节点来说,氢能和燃料电池能起到的作用远远超过了在交通领域的一些作用,所以它不管是在工业领域、发电领域、民用等领域都有很大作用,氢能和燃料电池作为一体,是未来能源技术革命的重要创新行动之一,在减排和能源结构转型中起着至关重要的作用。

氢能在某种意义上很大的作用也来源于现在我们对可再生能源的需求,所以说“双碳”目标的逐步实现,我们能源很大程度上依赖于可再生能源,可再生能源优越性就不重复了,当然它也存在间接性、季节性等缺点,但是,它跟氢能的完美结合能够保证高品质电的产生,是克服间接性和季节性等缺点的重要手段。同时通过电解水制氢产生的氢气不仅可以用到交通领域的节能减排,也可以用到工业领域和其他民用领域,甚至合成绿氨也对农业领域起一个重要的作用,刚才程院士也已经说到。

同时它也通过燃料电池与生活中的电网进行互补,也能够对我们整个可再生能源系统提供安全保障,所以未来的可再生能源发电制氢、储能再发电是一个绿色能源创新体系的系统工程。

按照氢能产业链,前面各位专家已经讲了很多,它的产业链非常长,从氢气的制取、储存、运输、供应到终端的应用,不管是燃料电池汽车、飞机,还是无人机、发电、民用等都有非常广阔的应用,但这里面有很多的技术环节还需要我们进一步地创新发展,刚才几个专家也从各个层面阐述了它的重要性。从某种意义上说制氢、储氢和燃料电池的研发和产业化也是我们要突破的重要方向,也是目前大家公认的卡脖子环节。

正是因为这一点,财政部等五部一委去年提出了示范城市群的政策,这里面特别强调核心技术和关键部件的缺失是我们要密切攻关的重要研究方向,因为这个要求,五部一委今年发布了第一批燃料电池示范城市群,包括上海、广东、京津冀的示范城市群,我们坚信示范城市群的应用将极大地推进燃料电池产业化发展。那么在这样的背景下,我们有必要探讨一下燃料电池关键材料的创新研发和产业化目前面临的一些挑战,这些挑战也是我们的机遇。

二、挑战与机遇

其实,燃料电池从某种意义上说,它的产业化并不是一个简单的材料问题,也不是简单的工程问题,更不是一个简单的应用问题,它是一个真正系统工程,从燃料电池整个产业链来说,从最上游的燃料电池材料研发,包括催化剂、质子交换膜、碳纸、树脂等里面涉及的很多是材料科学的问题,当这些材料应用到膜电极层面,更多的关键是结构上,电极材料和树脂、碳纸、质子交换膜等的界面和表面的问题。

它应用到燃料电池电堆和系统体系也涉及到很多工程问题,包括一些流体力学等,最终到了车上还有很多电子工程、电机工程、整车集成等问题,这一切的问题是整个系统工程,任何一个单一的领域突破和发现都不能完全解决这个问题。所以这里有对新材料的研发有一个非常具体的要求,一定要对于结构和性能的关系有更深刻的理解,而产生的新的研发体系,这是至关重要的。

同时,从上游的材料研发、产业化到终端的应用过程,涉及到非常多层级的工程验证,这些工程验证中的密切配合也是非常重要,可见这一切都要依赖于大学研究所与企业界的紧密合作。另一方面,我们通常谈到燃料电池至今成本仍然非常高的一个重要原因,就是我们还处于产业化初期,还没有达到一定的规模化。诚然规模化的提高能够极大地降低燃料电池的成本,但是创新研发特别是关键材料和新方法、新手段的应用,能够加速这个产业化的过程。

谈到燃料电池的关键材料和组件,从上游氢的制取、储运到下游的应用,这中间有一个燃料电池的心脏,就是燃料电池的电堆,当然心脏基本上就是膜电极和双极板构成,我们认为燃料电池的芯片的解决主要取决于燃料电池的膜电极,讲这个的原因主要基于这两个思考:

首先从技术层面来讲,燃料电池的膜电极如果只考虑到催化层和质子交换膜,只有几十微米厚,加上碳纸也只有几百微米的反应场所,而在这一个反应的场所中,基本上燃料电池所进行的所有电化学反应,包括氢气的氧化、氧气的还原、电子和质子的传递、水热的传输都是在这个界面进行的,从某种意义上,双极板、电堆和系统,更多是为了保证这个过程的更顺利地进行,所以它是燃料电池的功能中心,电能就是这里产生的。

这里面因为集成多种材料,所以也造成了多界面、多相态,甚至多物种的气、水、热、电的一种耦合反应。这里集成了超过12种的材料,在几十到几百微米的厚度里,所以它是一种多技术集成中心。

同时,由于目前商业化的燃料电池所使用的催化剂基本上是基于铂金的催化剂、贵重金属的使用再加上其他的燃料电池关键材料,由于规模化的效应相对比较低,所以膜电极及其关键材料在燃料电池电堆所占的成本非常高。其次,从今天我们年产的千台级和未来的50万台甚至100万台级,燃料电池膜电极在整个燃料电池电堆中所占的成本仍然高达60%以上,所以我经常说一句玩笑,如果没有膜电极的贡献,其他的成本降到零,仍然还有今天成本的60%,所以从某种意义上膜电极成本进一步下降是保证燃料电池规模化实现的一个最重要因素。

谈到膜电极的关键材料,大家熟知的是催化剂、质子交换膜和碳纸,诚然就像刚才提到的,不幸的是,我们仍然在使用铂金作为燃料电池的催化剂,所以世界各国的科学家和工程技术人员近20-30年来在燃料电池催化剂研发上下了非常大的工夫,大家可能注意到即使今天在Science、Nature这样的顶级刊物上仍然经常有有关燃料电池各类催化剂的研发论文。

当然,除了我们现在商业化所用的基于铂金和碳载体的铂催化剂以外,燃料电池跟非贵重金属的合金催化剂,以及其他形成的微观结构催化剂等都进行了很大的研发。同时非贵重金属催化剂也已经进行了很多年的研发,当然大家可以看从红色到绿色的过程,也就是从研发到产业化的过程,还是有漫长的路要走。

我经常说玩笑,“铂金是上帝给我们的礼物,我们只能好好的使用它,很难完全不使用它。”所以降低铂金的使用,从很大意义既是一个科学技术问题,也是一个工程化的问题,仍然还有很长的路要走。

同时,这十几年来燃料电池质子交换膜在减薄、增强方面做了非常多的努力,从过去单纯的性能提高,到整个生命周期的性能和寿命的保证,做了很多努力。同时,气体扩散层这几年的进步也是非常大,从规模化制备、良品率、一致性到催化剂层的不断减薄,还有保证没有加湿器常温启动和使用方面也有长足进步。

刚才提到的为什么我们不能使用非Pt催化剂,其实非Pt催化剂早在60年代末和70年代末就已经开始尝试研发,但是从左边这个图可以看出,不管是哪一类的非Pt催化剂,它们的性能稳定性都不高,大家也知道我们燃料电池的寿命现在要求1.5万-2万小时,在固定式发电应用上甚至要求3万-4万小时。而非Pt催化剂仅仅几百小时性能衰减相当多,这是一个非常遗憾的事情。

随着我们对燃料电池功率密度的要求越来越高,我们甚至想在2A、3A、4A每平方厘米下进行操作,但是燃料电池的非贵重金属催化剂只能在可能比较小的电流密度下,也就是低功率密度下能够实现与铂金催化剂相媲美的性能。在高电流密度下,由于它的性能不足,所以需要大量的铂金;而使用非贵重催化剂则需要很高的载量也就意味着催化层的厚度增加,所以目前在性能上面也有很长的路需要走。

铂金催化剂太贵,非贵重金属催化剂又不够稳定,性能也不够好,所以它们确实都有自己的缺点和优点,从某种意义上来说,我们需要思考如何把这两款催化剂用好,既成本可控,性能和寿命又可以保障。

因此我们根据国内外进行这方面的研发提出了一些新的思路,通过用非Pt催化剂作为一种载体,或者作为一种助催化剂,跟铂金催化剂一起成为一种新型耦合催化剂,希望利用这种耦合效应能够实现1+1>2的作用,这几年国内外也有很多这方面的专家进行了这方面的一些尝试,也有一些企业有小批量化的产品在这方面进行一些尝试,可见这个方向可能未来还是一个比较重要的方向,从产业化的未来来说也是很快可以实现。

除了催化剂以外,当催化剂集成到燃料电池膜电极上,一个非常重要的就是催化层的结构和性能的控制。刚才也提到,现在燃料电池需要更高的功率,从过去局限于每平方厘米1-1.5安培,现在要求平方厘米2安培、3安培甚至4安培。

当然这里面催化层的其他材料,比如树脂也起着非常大的重要作用,只有催化层的结构得以充分控制时,整个燃料电池的成本,尤其是大功率燃料电池的成本才得以降低,所以从某种意义上来说,催化层的合理设计是实现燃料电池成本降低的重要手段。

从催化剂等其他关键原材料的创新研发到产业化,到膜电极到电堆这个过程,从研发到产业化的路径可能有多种多样,通过我们过去多年的一些尝试,我们觉得除了关键核心材料的研发和自主化以外,膜电极层面的一些核心材料筛选、催化层结构的优化,也是我刚才强调的两个重要方向之一。同时,制成工艺连续化和装备自主化也是保证光电材料的充分利用和催化层结构最终得以体现的一个重要保证。

最后,我觉得也是目前最重要的一点就是关键材料到终端应用的多层级的工程化验证,是保证我们研发成果产业化和科学技术成果转移最重要的一个途径,而且这个过程过去可能都是一个串联,从关键材料的研发,到逐步的小试、中试到膜电极的研发和生产,到最终终端的应用,这个过程太漫长,尤其是国外,通常这个过程可能需要18个月的时间,这个过程太漫长了,我们又不能跳跃这些过程,唯一能加速的就是对四个过程半串联、半并联的进行,而且每个过程及时从下一个工程化的验证来反馈。

至于燃料电池膜电极的工程化制备,大家可能注意到刚才这个短视频多次提到气密性全检、质量巡检,这是燃料电池膜电极产业化中不可跳跃的重要一点,作为一个真正的产品,特别是以后大功率的燃料电池、电堆都需要300片、400片,甚至更多的燃料电池的膜电极组在一个电堆里面,所以它对质量的把控,产品的良品率和一致性要求非常高。

燃料电池膜电极良品率从99%降到90%,很有可能会导致下一个电堆的组装和生产过程成本翻一番以上,所以从某种意义上来说,燃料电池从膜电极到客户的单堆验证,再到燃料电池整个发动机的验证,最后再上路进行验证,这整个过程一步都不能落下,只有终端客户最后的验证才是产品作为真正量产产品的保证,只有这样我们才能同时在性能进一步提高,寿命进一步延长的基础上,对成本进行控制。

我经常讲,做一个产品只有一个指标就是成本,因为性能的提高意味着单位千瓦成本的下降,寿命的延长就意味着单位小时的成本在下降,所以某种意义上就是成本等于性能和寿命和其他的东西,只有这样才能实现大批量的燃料电池产品进到产业化的应用。

我多次强调除了初始性能以外,燃料电池的寿命也是一个非常重要的指标。目前从乘用车5000小时到8000小时的逐步提高,商用车1.5小时到2万小时,固定式发电从3万-4万小时的提高,都是实际应用场景的一种需要,我们必须要达到,所以对燃料电池整个寿命周期的加速实验测试是保证这个过程的重要手段。

同时,在真正的各种工况条件下进行上路验证,也是燃料电池产品能够得到重要保证的指标,这些数据的及时反馈也为我们下一代燃料电池的研发奠定了坚实的基础。同时不仅在理想工况下保证我们的产品可靠,而且要在各种极端的条件下可靠,包括低温储存和低温启动,只有这样我们才能迎来燃料电池的真正批量化生产。

除此以外,关键材料、零部件、设备的研发也是基于过去0到1的积累,但我想强调从0到1跟1到10,甚至10-100这个过程中不再是一个单向的技术、人员和信息的单向流动,而是多向的流动,工程技术角度上看,很多工程可以凝练成一个新的科学问题和技术问题,让大学和研究所进行新一代的开发。同时任何一家企业或者一批企业都没有办法把这个过程做好,所以我们需要跟供应链和合作伙伴密切配合,在这方面逐步实现多层级、全方位、全产业链的工程验证,只有这一切都得以实现,我们真正的大规模生产才能保证,尤其是对一个新兴的产业,政府的导向和政策的指引,当然适当的补贴在产业化初期是非常重要的。

我想强调一下在政府层面对整个工程验证过程的指导和某种形式下的一种鼓励或者奖励,也是非常重要的,否则会变成很多关键原材料企业号称我已经有世界先进水平的材料,但工程应用方面,真正终端产品却长期购买国外的进口产品,因为再好也没有验证过,不能用,所以政府在这方面适当的引导、促进和工程验证也是至关重要。

三、总结

最后,希望通过今天早上和下午各位院士专家的讲解,大家能够认可氢能燃料电池具有广泛的应用前景,目前处于大规模商业化的初期,而国家首批燃料电池示范城市群的正式启动,将极大地加速氢能燃料电池的自主化和商业化进程。当然,我们非常清楚地知道燃料电池大规模商业化仍然面临严峻的成本挑战,而规模化和进一步的技术进步,以及全产业链的健康发展将带来成本的迅速下降。

产业化导向的政、产、学、研、用的紧密结合是促进燃料电池持续技术进步的最佳路径,现在的燃料电池全产业链、多层级、工程化验证的过程的密切配合,是我国研发和产业化发展的巨大优势。从某种意义上来说,我们要赶超世界先进水平,真正在世界领先,这真是我们一个巨大优势。同时氢能是实现“双碳”目标的重要途径之一,已经成为多种经济体系中和投资计划中的核心要素,我们相信氢能与风能、太阳能可再生能源一起来构筑未来完整的绿色能源系统。

谈到愿景,其实国际能源署对此进行了一个更新和报告,强调在2050年,氢能在整个能源体系中占有18%,我们非常期待这一天能够早日实现。同时,不仅是在保证能源体系的完整性和可持续健康发展性上,它对二氧化碳的减排、未来新的经济体系也会起到很大作用。

最近国际氢能委员会的执行董事讲了一个非常直接、简单的话,简而言之,“没有氢能,就没有气候解决方案。”这一点讲得可能有点绝对,但是我是99%赞同。这个图,刚才其实几位院士已经讲过,我不再重复了,只是想再次强调未来可持续发展的能源体系,很大程度要依赖于可再生能源,而可再生能源也需要结合氢能才能保证可持续健康发展。我们可能不敢期望哪一天氢网能代替电网,但是氢网和电网的结合一定是我们未来可持续健康发展重要组成部分。

谢谢大家!    

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