氢能与燃料电池是全球能源技术革命的重要方向，更是应对全球气候变化、保障国家能源供应安全和实现可持续发展的重要选择。
近日，加拿大国家工程院院士、广州大学教授、鸿基创能副董事长兼首席技术官叶思宇发表了主题为《燃料电池技术研发与产业化协同发展》的精彩演讲，以视频方式呈现。
叶思宇院士从氢能产业发展背景切入，分析了燃料电池技术的发展现状，认为燃料电池关键材料的创新研发与产业化的协同发展将在助力燃料电池大规模商业化中起到至关重要的作用。
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氢能产业发展背景
目前，“碳达峰、碳中和”已成为全球共识。叶思宇院士在演讲中表示，氢能是实现双碳目标的重要途径之一，已成为许多经济体碳中和投资计划的核心要素。
氢能作为一种清洁、高效、储量大的可再生能源，为各行业脱碳提供了重要途径，目前氢能已经应用于传统能源的多个方面。
从能源构成方面看，发电和工业端是中国碳排放的主要来源，分别占中国碳排放的51%和30%。在发电领域，即可通过燃料电池将氢能转化为电能，也可利用电解水制氢满足储能对于长周期、大规模、高能量的要求。在工业领域，氢能可作为燃料和化工原料参与化工行业的多个环节，帮助工业实现减碳。
基于可再生能源存在间接性、波动性等问题，叶思宇院士提出，风能、太阳能等可再生能源与氢能联动，可构成“可再生能源-制氢-储能-发电”的新型绿色能源体系，发挥氢能在可再生能源消纳、跨长周期电力调峰等场景的应用优势。
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燃料电池技术发展现状
叶思宇院士向大家分享了燃料电池的应用场景，强调成本和基础设施建设是制约氢燃料电池实现大规模产业化发展的重要因素。
氢燃料电池的应用：乘用车
氢燃料电池的应用：其它运载车辆
氢燃料电池的应用：其它领域
成本方面，在过去的几年里，燃料电池发动机的成本得到了大幅度下降。预计到2025年甚至2030年，燃油电池发动机的成本可与柴油车、汽油车媲美。当然，降本的同时还需进一步提升燃料电池的性能和使用寿命，才能有效推动燃料电池实现大规模商业化发展。
基础设施建设方面，氢能的储运以及加氢站的布局建设也将成为实现燃料电池大规模商业化发展的重要推手。
叶思宇院士表示，规模化和进一步的技术进步以及氢燃料电池全产业链的健康发展将为燃料电池汽车产业带来成本的迅速下降。
燃料电池汽车产业的发展主要面临的问题是核心技术和关键部件缺失。针对产业存在的问题，应重点围绕燃料电池汽车关键零部件核心技术攻关，即氢燃料电池全产业链中八项“卡脖子”的关键环节：催化剂、质子交换膜、气体扩散层；膜电极、双极板；电堆、空压机、氢气循环泵。
不仅如此，开展燃料电池产业化示范应用，是支持燃料电池大规模商业化的重要手段。目前，北京、上海、广东等地先后成为国家首批燃料电池示范城市群，叶思宇院士表示，国家首批燃料电池示范城市群正式启动示范，将极大地加速氢燃料电池的自主化和商业化进程。
03
燃料电池关键材料创新研发
和产业化的协同发展
电堆是燃料电池产业链中的重要组成部分，由膜电极和双极板构成，其承接了从氢气的制取到燃料电池应用这关键一环。膜电极是燃料电池的功能中心，随着量产规模的逐步扩大，膜电极在电堆成本中的占比有望从60%下降至47%。从某种意义上说，膜电极成本的下降是推动燃料电池大规模产业化成本下降的关键因素。
近年来，多国科学家和工程师对实现成本目标的关键研发领域进行了详细的研究，包括功率密度、寿命、电堆及其关键材料及其智能制造，这为燃料电池在2028年到2030年期间达到商业化所需要的目标成本打下了坚实的基础。
现阶段，新型燃料电池催化剂的研发成果层出不穷，但从关键材料的研发到落地商业化应用还需完成大量的工程化验证，需要协同考虑催化剂、炭载体、离聚物、催化剂层相态等诸多因素，以获得催化剂在燃料电池中最优性能和寿命。叶思宇院士表示，其中需进一步改善的科学问题是纳米-介观的跨尺度协同增效问题，需要各界专家学者共同发力。
从关键材料的研发到器件设计，需要精密化、智能化的制备工艺。叶思宇院士播放视频向大家展示了膜电极的精密化制造过程，并强调膜电极产品的良品率和一致性在很大程度上会影响到电堆的性能，为此在智能制造的过程中需经历严格的质量巡检，气密性全检以保障产品质量。
氢燃料电池汽车全产业链的工程化验证“传统”上是层层递进，首先是核心关键材料物理、化学、机械性能的测试验证，到膜电极MEA的输出功率和稳定性，再到燃料电池电堆在多工况条件下性能和稳定性评估与燃料电池系统与BOP部件的集成和验证，最后到燃料电池汽车在真实环境条件下的运行。但是，要实现从关键材料在产品上的快速应用需要创新的工程验证过程，即双向的全产业链上下游协同验证过程。所有下游的验证数据，可借助大数据及时向上游反馈并改进，同时还能为下一代燃料电池的研发提供新的思路与参考。
不仅如此，产品的耐久性和寿命、低温储存和启动验证对燃料电池大规模商业化起着保障作用，也为实现整个生命周期成本下降发挥着至关重要的作用。
叶思宇院士在演讲中着重指出，燃料电池研发与产业化是一个系统工程。氢燃料电池关键材料研发和产业化在燃料电池大规模商业化中起着至关重要的作用，以产业化导向的产、学、研、用的紧密合作是关键材料不断更新换代的最佳路径，燃料电池全产业链多层级工程化验证过程的密切配合更是我国研发和产业化发展的巨大优势。
最后，叶思宇院士向大家介绍了氢能与燃料电池的前景（2030-2050）。国际氢能委员会指出，预计到2030年，绿氢需求将增长到7500万吨，其中三分之二将来自钢铁、工业、交通、航空和海运等新市场。业界的最终目标是，到2050年，氢能在零碳排放解决方案中占到总体的20%。
国际氢能委员会的“零净氢“报告表明，到本世纪中叶，氢可以为超过五分之一的最终能源需求提供低成本的脱碳解决方案，累计减少800亿吨二氧化碳——这将是达到全球变暖不超过1.5℃目标的一项基本解决方案。
在未来十年内，全球对可再生低碳氢能的需求将增长50%。到2030年，转化为年二氧化碳减排量，相当于英国、法国和比利时二氧化碳年排放量的总和。然而，实现这一切，需要现在大力扩大生产、改善基础设施、推广氢能应用。正如国际氢能委员会执行董事达里尔·威尔森所说，“简而言之，没有氢能就没有气候解决方案。”
得益于传统能源企业和氢能燃料电池的“联谊”，氢能燃料电池发展迅速。氢能燃料电池发展不再是一个纯粹燃料电池汽车的发展，而是与整个能源体系密切相关。正因为此，未来氢网和电网通过“氢-电转换”的有效联接，构成清洁、高效的终端用能系统，将会为可持续性健康发展的未来社会提供坚实的保障。
