國際油價的高波動，這讓人想起816輛服務北京冬奧會的氫燃料電池汽車。那么氫燃料電池汽車離我們有多遠？氫燃料電池汽車的優勢和目前的不足是什么？加拿大國家工程院院士葉思宇近日分享了氫燃料電池大規模商業化所需要解決的難題。

 

 

葉思宇院士在電化學尤其是燃料電池方面具有30余年研發和產業化經驗，并且是國際公認的燃料電池電催化和膜電極的領軍人物。他帶領團隊關于燃料電池電堆冷啟動和耐久性技術的發明，從根本上推動了整個燃料電池產業的商業化進程。

 

 

根據國際能源機構的統計，隨著GDP和全球人口的增長，全球能源需求自1950年以來已經增加了7倍。而能源需求的增加伴隨著溫室氣體排放的急劇增加。

 

《2019世界氣象組織（WMO）溫室氣體公告》顯示：大氣中吸熱性溫室氣體水平連年突破歷史記錄，極端天氣、自然災害明顯增多，對自然生態環境產生重大影響，對人類經濟社會發展構成重大威脅。

 

 

“發展和減排并不矛盾，它們的共同目的都是為了更好地改善人們的生存環境，關鍵是要探索一種低碳的可持續的發展模式，在維持發展的同時降低二氧化碳等溫室氣體排放。”葉思宇說，中國向世界作出了“碳排放力爭2030年前達到峰值，爭取2060年前實現碳中和”的承諾，中國能源結構肯定要進行相應的調整。氫能與燃料電池在減排及能源結構轉型中發揮著至關重要的作用。

 

“氫是最輕的元素，來源廣泛，用途多樣。氫氣在1776年已經被發現。早在1888年，科學家就通過電解水制氫的方法。氫氣與水密切相關。在英語或日語中，氫就叫水素。氫氣可謂是水的創造者。”葉思宇說道。

 

由于制氫方式不同，氫氣可分為灰氫、藍氫、綠氫。通過化石燃料（例如石油、天然氣、煤炭等）燃燒產生的氫氣，為灰氫。將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制成的氫氣，為藍氫。通過使用再生能源（例如太陽能、風能、核能等）制造的氫氣為綠氫。灰氫和藍氫在制作過程都會有二氧化碳排隊。在生產綠氫的過程中，完全沒有碳排放，但是成本較高。

 

那么氫氣作為能源是否安全呢？葉思宇說，與天然氣、汽油的物理和化學性質相比，氫氣安全性更高，這主要源于氫氣是最輕的元素。氫氣不易形成可爆炸的氣霧，且其泄露能量和爆炸當量較低。氫氣的擴散速度是天然氣的3.8倍，但泄露能量僅約為天然氣的40%。氫氣還具有最大的浮力和擴散性，泄漏的氫氣將會很快上升并向各個方向快速擴散，使得濃度難以達到爆炸所需濃度。

 

 

氫能利用的一個重要環節就是燃料電池。燃料電池便是利用氫和氧氣的電化學反應產生電能的過程。且在反應中過程，唯一的產物就是水，非常清潔。“燃料電池車輛效率非常高，加氫的過程只需要三到五分鐘。這是燃料電池相比鋰電池巨大的優勢。”葉思宇說。

 

 

說起氫燃料電池，人們第一時間想到的是氫燃料電池汽車。2014年，豐田推出了第一代氫燃料電池電動車Mirai，此后現代、大眾、奧迪、奔馳等公司也推出燃料電池量產車或者樣品車。2022年北京冬奧會共計投入使用816輛氫燃料電池汽車作為主運力開展示范運營服務，是迄今為止在重大國際賽事中投入規模最大的。

 

葉思宇說，氫燃料電池車在發展過程中一直被世界上的跨國公司所主導的。從規?；逃玫慕嵌瓤?，氫燃料電池不僅要環保，在性能和壽命上也要與有100多年歷史的燃油車媲美。“氫燃料電池要實現成本的下降，同時也要把性能提高、壽命增加當成重要研發任務。”他表示。

 

在葉思宇看來，氫燃料電池的原理講起來很簡單，但是真正實現商業化卻面臨諸多挑戰。無論是上游原料研發，或是中游燃料電池膜電極、電堆系統等等關鍵零部件的開發，其中涉及非常多的學科和領域。

 

“單一個人、單一團隊難以實現燃料電池的整個產業化，這是真正的系統工程。”葉思宇說道。葉思宇2000年加入了世界上最重要的燃料電池生產商——巴拉德公司，此前他在燃料電池電化學領域有十幾年的研究和工作經歷。但當加入巴拉德時，他竟然發現自己什么都不懂了。

 

“我熟知電化學領域的科學知識和術語，但在這家公司，大家更加多談論的是加速、減速、衰減、機械力學、流體力學。這種博士生變成了本科生的感覺，讓我潛下心來學習。”葉思宇說道。

 

 

葉思宇說，在氫能燃料電池產業鏈的協同過程中，需要政、產、學、研、用的緊密結合。材料領域需要大學和科研院所的基礎研究。核心部件的研發需要工程化驗證，也需要供應鏈合作伙伴緊密配合，最終爭取到廣大用戶。最終新的基礎研究課題則可以繼續從用戶的需求中提煉，由此形成一個閉環。

 

氫燃料電池要成為產品，便不能永遠在實驗室里進行各種驗證測試，一定要放在真正的場景去接受挑戰。低溫環境就是氫燃料電池必須跨過的一關。比如燃料電池最重要的產物就是水。水會在低溫環境下結冰，如此會導致氫氣與氧氣很難進入燃料電池進行反應。若氫氣無法進入，燃料電池會出現反極（正極變負極、負極變正極）的狀況，這會導致性能衰減、壽命減少。

 

為此葉思宇帶領團隊開發了一款抗反極的催化劑和膜電極，保證了燃料電池在冷啟動時迅速升溫并保持性能穩定。2021年7月，河鋼集團30輛49噸的氫能重卡已在河鋼唐鋼新區正式投入運營，由兩家電堆公司均使用鴻基創能膜電極，月平均運行里程9000公里，目前運行穩定。

 

就目前而言，相比于鋰電池車和燃油車，燃料電池車成本相對較高。葉思宇說，氫燃料電池目前正處于大規模商業化的初期。但目前氫行業的成熟度已經達到了一個新水平，并且還在加速，預計2030年燃料電池車應該會與燃油車或鋰電池車的成本相當。

 

“氫行業的快速發展依賴于跨行業、跨區域的合作、整合和創新。氫燃料電池全產業鏈多層級工程化驗證過程的密切配合是我國研發和產業化發展的巨大優勢。”葉思宇說。