動能2023|專訪加拿大國家工程院院士葉思宇：氫燃料電池大規模商業化需打通產業鏈

每經記者 黃宗彥    每經編輯 付克友 黃博文    

 自巴黎氣候大會以來，全球各國都在加速推進能源轉型，以應對氣候變化帶來的一系列危及人類生存環境、影響經濟社會運行的負面問題。減少化石燃料，提升清潔能源使用占比已成為全球趨勢和共識。在新能源中，氫能源因高效、安全、儲量大、零污染等優點被譽為“終極能源”。并且氫能產業是綠色經濟的一部分，對我國實現“雙碳”目標和能源轉型具有非常重要的意義和作用。可以說，作為全球產氫規模最大的國家，我國的氫能產業發展將在一定程度上影響未來經濟實現可持續發展、高質量發展的時間軸。

那么，如何理解該領域與中國經濟高質量發展、可持續發展之間存在的聯系？該領域又將如何實現自身的綠色發展？帶著這些問題，每日經濟新聞（以下簡稱NBD）專訪了氫能、燃料電池電催化和膜電極的權威專家——加拿大國家工程院院士、廣州大學教授、鴻基創能副董事長兼首席技術官葉思宇。

加拿大國家工程院院士葉思宇 圖片來源：受訪者供圖

瓶頸：關鍵材料的工程化驗證和大規模產業化

NBD：黨的二十大指出，“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生。”請問葉院士，在高質量發展的新階段，怎么看綠色發展的重要意義和內涵？對科技創新，特別是氫燃料電池產業發展，提出了哪些新的要求和挑戰？

葉思宇：黨的二十大報告提出：“深入推進能源革命”，走“清潔替代、戰略接替、綠色轉型”發展之路。綠色發展是促進生態文明，推動我國能源體系轉型，保障國家能源安全的前提，是我國未來高質量發展的重要基石。“碳達峰、碳中和”是綠色發展重要目標，推動我國能源體系由以傳統能源為主過渡到以綠色清潔能源為主，大力發展清潔可再生能源產業，將能加快國家戰略目標的實施進程。

在雙碳背景下，氫能與燃料電池作為能源技術革命創新的行動之一，在減排及能源結構轉型中發揮著至關重要的作用。氫燃料電池作為綠色發展重點推進的新興產業，近幾年發展迅猛，在很多領域都得到了廣泛應用。但要盡快實現大規模產業化，關鍵材料的研發方面仍面臨著一些挑戰。尤其是在我國，關鍵材料還處于工程化驗證階段，大規模的產業應用還不多。

要解決這些技術研發和產業化上的瓶頸問題，需要在關鍵技術的創新研發、產業化和工程化驗證這三個方面同時發力。此需要各個層面都抱有開放、學習、配合與合作的態度，“政、產、學、研、用”才能真正做到完美的結合。

另外，相應的基礎配套設施建設還需要進一步完善。這要求我們繼續走產業自主化道路，推動上下游產業鏈一體化建設，鞏固發展基本盤。同時，加快產品更新迭代，確保產業可持續健康發展。

痛點：降低成本、提升性能、延長使用壽命

NBD：氫能源憑借零污染、儲量豐富、熱值高等優點被譽為“終極能源”。作為氫能源應用的重要環節，氫燃料電池近年的發展十分迅猛。您是氫燃料電池領域的權威專家，在雙碳戰略和美麗中國背景下，怎么看該領域的發展，對中國經濟綠色發展的重大價值？

葉思宇：在雙碳戰略和美麗中國背景下，氫燃料電池作為國家綠色能源發展體系的重要組成部分，是構建可再生能源制氫、儲能和發電體系的重要載體，具有廣闊的市場提升空間，在商用車、緊急備用電源、熱電聯用、叉車、基站備用電源、無人機和發電等領域已展示了商業化應用前景，但離大規模產業化仍有一定距離。

因此，打通產業鏈各個環節，是真正實現氫燃料電池從示范應用到大規模商業化應用的必要舉措，也是中國經濟綠色發展的重要創收點。

氫燃料電池產業鏈要實現大規模商業化應用發展，必須進一步降低成本、提升性能、延長使用壽命。以燃料電池關鍵核心零部件膜電極為例，膜電極的研發和產業化主要圍繞新材料研發和自主產業化、核心材料篩選以及催化層結構優化、制成工藝智能化和裝備自主化、以及多層級工程化驗證。而自主化核心技術和關鍵部件缺失是膜電極發展路徑上亟待解決的問題之一。

為解決這一問題，需要從上游的催化劑、質子交換膜、碳紙等材料的研發，到膜電極結構設計，再到終端的應用驗證，需要多層次、全產業鏈的密切配合，所以氫燃料電池的進一步自主化、產業化離不開整個產業的多個環節深度合作。在解決產業鏈關鍵問題后，氫燃料電池產業發展將達到一個新的高度，真正實現大規模商業化，并且保持高速的可持續發展，為中國經濟綠色發展創造新動力。

比較：氫與鋰之間應為互補而非替代關系

NBD：當前以鋰電池為代表的動力電池占據絕大應用領域，與其相比，以氫能源為代表的的燃料電池雖發展迅猛，但產業規模仍與前者相差甚遠。請問您怎么看待二者之間的關系，氫燃料電池能否完全替代鋰電池？二者在促進綠色發展上各自有什么優劣勢？

葉思宇：氫燃料電池與鋰電池都有其自身獨特的優勢，都是我國綠色能源版圖中的重要組成部分，兩者之間應該不是相互替代，而是互補的關系。氫能作為一種清潔可再生二次能源，具備污染低、儲存周期長、可應用領域廣等優勢，與鋰電相比，氫燃料電池在質量能量密度、加氫速度等方面都具有一定優勢。

從性質上說，氫燃料電池是發電裝置，而鋰電池是儲能裝置；從整體綠色能源規模上說，鋰電池由于國家扶持和培育，在國內已具備良好的商業化基礎，而氫燃料電池還處在商業化的初期，制造和使用成本還比較高。因此短期來看，鋰電池在國內的商業化發展步伐遠比氫燃料電池快，但長期來看氫燃料電池具有可持續的競爭力。

氫燃料電池與鋰電池同為國家重點發展的“油氣熱電氫”綠色產業結構和低碳能源供應體系，二者缺一不可，未來二者也將在促進國家綠色能源發展的不同領域和應用場景上互相配合、齊頭并進。

應用：上下游互相配合實現產業鏈閉環

NBD：關于氫能源的應用，目前更多體現在交通運輸。您認為氫能和氫燃料電池還將應用在哪些領域？可以通過什么技術路徑實現？現階段影響氫燃料電池拓寬應用領域的問題和挑戰是什么？

葉思宇：氫能是一種清潔、高效的二次能源，氫燃料電池除了在交通領域的應用外，在發電領域能夠與可再生能源配合，并在化工、冶金、農業這些難以用電實現深度脫碳的領域有著非常廣闊的應用前景。這些應用將改變對傳統化石能源高度依賴的局面，對實現“碳達峰、碳中和”的目標具有深刻意義。此外，固定式應用中的分布式儲能發電、家用熱電聯供、基站備用電源，我國已經在規劃中，在今年科技部的“氫進萬家”項目就有這一項。

從整個氫能產業鏈來講，不管是制氫端或是氫氣的儲運，再到應用端（包括燃料電池環節），都還存在一些比較關鍵的技術問題亟待解決。其中最為核心的問題就是關鍵材料的研發和自主產業化，目前這一環節有些還處于技術轉移到小試或是中試階段，有些還在整個產業鏈的工程化驗證過程中，大規模的應用還比較少。

不過，近年國內在電解水制氫、儲氫以及燃料電池領域的一些關鍵技術的研發上已經取得了不小的進步，但如何把這些產品要變成工業品、商品，還面臨不少挑戰。對此，需要產業鏈上下游相互配合，盡快完成工程化驗證，并把工程化驗證中的數據及時提交給大學和研究所，凝練出新的科學技術研發課題；同時對接到產業鏈合作伙伴的研發部門以指導產品的迭代更新。只有這一過程的閉環得以實現，氫能產業的問題才能得到盡快解決。

展望：與可再生能源構成新型綠色能源體系

NBD：氫能源、氫燃料電池行業，是國家全面實現綠色發展的重要支撐。但據了解，氫由于制取方式不同，被分為“灰氫”、“藍氫”和“綠氫”，其中以煤制氫制取的“灰氫”和“藍氫”占絕大比例，對環境有一定影響；并且，廢棄的氫燃料電池材料也會對環境造成危害。請問應該怎么解決這些污染問題？如何提高“綠氫”比例？廢棄電池回收方面應采取哪些環保手段？

葉思宇：確實，目前出于經濟性的考慮，以煤制氫制取的“灰氫”和“藍氫”還占比較大比例，對環境有一定影響。隨著制氫技術和碳捕集、封存和利用(CCSU) 技術的不斷發展和完善，對環境的副作用將會極大降低。當然，從長遠來看，利用可再生能源（風電、光伏等）制綠氫將是我們的主攻方向。

在“雙碳”目標下，我國氫能產業迎來加速發展，綠氫在降碳中發揮的作用備受關注。盡管我國電解水制氫產業仍面臨著裝備、技術、成本、規模化生產等一系列挑戰，電解水制氫作為目前最主要的制取綠氫方式，其市場規模正在不斷擴大，綠氫的比例也會隨著制氫技術的不斷進步和可再生能源發電成本的迅速下降得以大幅增加。而電解水制氫的規模化應用，也會從根本上克服可再生能源的間歇性、波動性和長時間儲存等問題，從而大幅提高可再生能源的穩定性和利用率。氫與可再生能源的結合將構成新型的綠色能源體系。

從氫燃料電池汽車市場規模商業化的預期來看，建立起回收再利用體系，不僅可以減少環境的污染還能降低燃料電池的成本。比如，燃料電池膜電極（MEA）的回收，不論是從MEA本身的材質（尤其是貴重金屬），還是回收所需的流程和運用的技術來看，整個回收過程工藝已相對成熟，回收率可高達85%以上。

建言：鼓勵地方合作共贏，避免不良競爭

NBD：對于氫能源、氫燃料電池產業的發展，政府、企業、研究機構還需做哪些努力？您有什么建議？

葉思宇：在氫燃料電池產業仍處于商業化應用初期階段的背景下，要更多地鼓勵、支持合作共贏，盡量避免不良競爭的局面。在中國現有的體制下，可以通過中央及各級政府的相互配合，把一些氫能產業發展基礎較好、技術研發能力較強、產業配套設施較健全的地區先行發展起來，目前國內五個燃料電池汽車示范應用城市群均具有先行基礎和優勢。同時，先行地區間的城市形成相互合作，互補發展，同時與能提供氫源和更多的應用場景的地區緊密合作，推動我國氫燃料電池產業的持續健康發展。

企業和大學、科研機構要加強技術合作和信息、人才交流，做到產、學、研、用緊密結合。在“產、學、研”方面，世界上不少科學研究的課題是在產業發展過程中發現或提煉出來的，有些甚至已經找到了初步解決方案，但是科學研究還未能研究透徹。因此，需要把從高校、研究所的研究結果到產業研發，再到工程化，最后實現應用的模式進行一些變通，比如可以通過應用端所積累的經驗反饋，作為高校和企業新課題的研發導向，以促進科學技術的創新。

在“用”方面，結合人工智能和大數據等先進技術手段，推進研發成果的工程化驗證；同時，這些大數據也為通過機器學習加速新材料和器件的篩選與系統控制優化提供了寶貴的數據庫。產、學、研、用的緊密結合將為創新技術的研發及其應用提供扎實的基礎，加速新興產業的商業化進程，進一步推動整個產業的持續健康發展。