叶思宇院士：氢燃料电池产业化难题“破局”关键在材料
氢燃料电池是安全的，弥补可再生能源稳定性缺陷
“氢能与燃料电池作为能源技术革命创新行动之一，在减排及能源结构转型中发挥着至关重要的作用。”叶思宇院士表示。
根据中电联数据显示，2020年我国火电占比降到56.58%，其中煤电占比49.07%，气电占比4.45%。与之相对应的风电装机占比12.79%，同比增长了34.6%，光伏装机增长了24.1%。
可再生能源在电源端的大量涌入，给环境带来重大利好的同时，存在着电源稳定性缺失的风险。
“但风电、光伏属于间歇性可再生能源，对储能的依赖度非常高。”
叶思宇院士分析道，大比例的风电、光伏能源接入电网后，如果没有配备足够的储能对其进行调节，就会在阴雨连天或者弱风力的条件下造成电源端输出不足的情况。
反观氢燃料电池，作为可再生能源与氢能结合的产物，可以有效地把间歇性、不可持续性创造电能的可再生能源运用进高品质的发电过程，“它是保证构建可再生能源制氢、储能和发电体系的重要创新能源体系。”
不过，当前人们对氢能的安全性抱有怀疑态度，特别是应用在汽车领域。叶思宇院士表示，实际上，从化学的角度来说，氢气是非常安全的，具体表现为：
- 氢气不易形成可爆 炸的气雾，且其泄露能量和爆 炸当量较低；
- 氢气的扩散速度是天然气的3.8倍，但泄露能量仅约为天然气的40%；
- 氢气具有极强的浮力和扩散性，泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散，使其难以达到爆 炸所需浓度。
因此，在制造和使用过程中严格按照规范执行的前提下，氢燃料电池同样也是安全的。
关键材料的破局，是一个系统工程
针对氢燃料电池的应用现状及前景，叶思宇院士表示，近年来，除了乘用车以外，氢燃料电池在商用车、紧急备用电源、家用（热电联用）、叉车、基站备用电源等领域已经显露出商业化应用前景。
但氢燃料电池发展至今，规模产业化仍然存在挑战。
“基础设施和成本是制约氢燃料电池大规模产业化的重要因素。”叶思宇院士分析道，目前国内的加氢站建设处于滞后状态，无法保证使用氢燃料电池车辆的氢能供应。想要真正意义上实现氢燃料电池的大规模、商业化应用，压缩成本、提升性能、延长电池使用寿命，三者缺一不可。
他指出，从上游的关键材料到下游的应用，涉及的知识、人才等都是截然不同的。要想真正实现氢燃料电池规模化、产业化，必须打通产业链。
膜电极是氢燃料电池产业链中的关键一环，叶思宇院士详细分析了膜电极的发展现状。
他表示，膜电极研发和产业化发展主要有四个步骤：核心材料研发和自主产业化；核心材料筛选和催化层结构优化；制成工艺连续化和装备自主化；多层级工程化验证。
核心技术和关键部件缺失是目前面临的关键问题，因此，解决关键材料问题是氢燃料电池核心突破的方向。膜电极的关键材料，包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层和树脂等。他表示，以产业化导向的政、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。
叶思宇院士指出：“值得注意的是，氢燃料电池的关键材料破局，并不是指单一的材料研发，而是一个系统工程。”从上游的催化剂、质子交换膜等材料的研发，到膜电极结构、性能设计，再到终端的应用，整个过程中涉及到多层次、多产业链、多学科的配合。因此，氢燃料电池的进一步自主化、产业化离不开关键材料的基础研究和产业化。
“解决了关键材料和成本问题之后，我们相信氢能与风能、太阳能、再生能源一起将构成完整的绿色能源系统，新行业的成熟度已经达到了一个新的水平，并且还在加速。未来以可再生能源为主体的电网与氢能将共同构成人类发展的双网体系。氢电网必将会是人类社会秩序健康发展的重要保证。”叶思宇院士最后总结道。
主题演讲结束后，针对线上观众提出的热点问题，叶思宇院士耐心地进行了答疑解惑：
Q1：如果氢气在半密闭空间泄露会怎么样？
叶思宇院士：实际上，氢气在半密闭空间、完全敞开的空间泄露，危险系数都是极低的。只要有一丝空间，氢气都会快速向上逃逸，当氢气浓度下降到一定范围时，将不会构成任何危险。
Q2：目前，储氢材料处于成熟阶段了吗？
叶思宇院士：储氢材料种类非常多，比如说高压气罐高压钢瓶、金属储氢材料、有机液体储氢材料等，各种类型的储氢材料的成熟度不一。相对而言，传统的高压储氢材料较为成熟，但是面临着储存空间的挑战，尤其体现在乘用车方面。日本近年来对有机储氢液体材料的研发非常重视，已经在这方面取得了很大的进步。
Q3：:中国氢能产业链的企业数量规模大概多少？
叶思宇院士：2021年达到了数千家，今年还没有详细进行梳理。
Q4：资本市场对氢能的关注度如何？
叶思宇院士：个人感觉近几年资本市场对氢能的青睐度急剧提升。从某种意义上来说，两、三年前，氢燃料电池还需要四处募集资金，而现阶段已经达到了相对平衡的状态，产业投资、资本投资已经大量地关注这里。
Q5：日本本田汽车于2021年4月宣布，在2040年前，将力争在全球实现仅出售电动汽车和氢燃料汽车。但是，7月份时却突然宣布自2021年8月起终止生产氢燃料电池汽车，这是为何？
叶思宇院士：据我所知，2021年8月宣布终止生产的是一家地方工厂，并不等于本田汽车不再进行氢燃料电池汽车的研发和生产。
Q6：氢燃料电池的原材料质子交换膜、碳纸等是否已经国产化？氢燃料电池与国际先进水平差距有多大？
叶思宇院士：刚才提到的氢燃料电池关键材料，包括催化剂、质子交换膜、碳纸等等，目前国内基本上实现一定规模的生产，但是国产化产品运用到实际商用过程中，还需要经历工程化验证过程。我们希望在城市示范群4年的窗口期，能够实现完全国产化替代。
氢燃料电池与国际先进水平的差距，从不同的层级分析是不一样的。比如在应用领域，氢燃料电池的商用车方面，中国与国际的先进水平差距不大，但是在乘用车领域还存在一定的距离。用户认可的关键材料较少，在这方面，国内与国际先进水平还存在一定的差距。
Q7：氢燃料电池距离规模商业化预计还要多久？需要解决的最关键问题是什么？
叶思宇院士：很多人将氢燃料电池的发展与以锂电电动车进行比较，从某种意义上来说，他们认为当下氢燃料电池汽车的发展阶段与10年前的锂电电动汽车比较相似。我个人认为，目前氢燃料电池的技术发展跟10年前的锂电电动车相比，应该要更先进一些。
从今天到2025年，甚至是2030年，这是一个非常关键的阶段。如果我们能够在这个阶段保证实现从制氢、储氢到燃料电池所需关键材料的研发及商业化，氢燃料电池大规模商业化将不需要10年的时间。
Q8：可不可以将电解水制氢和燃料电池放电理解为两个相反的过程，材料方面是否有对应的关系？
叶思宇院士：是的，氢燃料电池的逆过程就是电解水制氢的过程。氢燃料电池工作原理是通过氢气和氧气的电化学反应来产生电和水、热的一个过程。电解水制氢，是通过电，把水中的氢气和氧气分解出来的过程，确实是两个正好相反的过程。
材料确实是有一些对应的关系。但是从电化学的原理来说，既然是两个相反的过程，又不是可逆的过程，所以它所相对应的催化剂要求是不一样的。一些关键材料所对应的反应也是不一样的，它包括很多相关的材料，但并不能完全照搬。
Q9：请问现在主流的燃料电池的交换膜主要是什么材料？
叶思宇院士：其实燃料电池的种类也非常多，我们刚才主要介绍的是使用质子交换膜的燃料电池，而质子交换膜目前是用全氟磺酸树脂作为原材料来制备的。
Q10：目前我国加氢站只有150座左右，如果未来要做到支撑氢能汽车大批量应用，加氢站的瓶颈应该如何解决？
叶思宇院士：确实目前我国加氢站非常少，但是可以注意到，随着“双碳”目标的提出，中石化、中石油等国企也纷纷积极加入到这个行业中。如果没有记错的话，光是在广东地区可能都计划建设超过100座的加氢站。所以我相信在未来3~5年的范围内，加氢站的大批量建设，至少可以支撑商用车的发展和应用需求。
Q11：目前国内SOFC（Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池）的发展如何？
叶思宇院士：至少从规模化程度上来看，SOFC目前发展还是不如PMFC，但是它一旦实现了规模化，单台的功率将会非常大。
Q12：氢能为什么难以在乘用车上面推广？是因为地下停车场的问题吗？
叶思宇院士：个人认为，氢能在乘用车的推广中存在以下问题。比如加氢站的建设，是制约燃料电池规模化的最重要的原因之一。为了保证燃料电池的规模化发展，必须要按照既定的方针下降成本，继而进一步地实现在其他领域的应用。
我国目前先从商用车入手，因为商用车运行场所相对固定，对应的加氢站建设较容易一些。当商用车的推广达到了一定程度，燃料电池的成本将会急剧下降。在此基础上，氢燃料电池在乘用车方面的推广就会相对容易一些。燃料电池汽车成本下降、大量应用，能够辅助形成能够实现盈利的场合。
Q13：目前催化剂量产的主要问题有哪些？有什么解决方案？
叶思宇院士：我国近年来已经在催化剂量产方面取得了巨大进步，不管是上海、昆明、成都还是武汉，多地都已经有多家生产燃料电池催化剂的企业，且基本上已经具备了批量化生产的能力。
所以，我个人认为目前看来，主要问题不在于催化剂的量产，而是和其他关键材料一样，关键在于需要通过工程化验证。
Q14：国内好像已有少数几家企业可以生产膜电极，请问国内生产的膜电极和国外的差距如何？
叶思宇院士：实事求是讲，国内外独立的膜电极企业不多，大家熟知的一些非常优秀的膜电极产品都来自于丰田、加拿大巴拉德公司等。原来曾经有几家国外企业也尝试生产膜电极，但是最后都已经退出了这个领域。
国内近几年在膜电极方面的进步，不敢说已经超越了世界先进水平，但是差距正在快速缩小。还是要再次强调，我们目前所生产的膜电极正在进行工程化验证，要想真正成为一个产品，必须要通过这个过程。
所以国内与国外的差距主要体现在工程化验证不够，而不一定是性能、寿命、成本方面。
Q15：:碳纳米管在膜电极或者其他部件中有哪些可能的应用？
叶思宇院士：碳材料，包括碳纳米管在燃料电池膜电极中，在催化剂、碳纸等方面都有可能有广泛的应用。当然目前可能会面临一些挑战：在整个过程中怎么保证碳纳米管分散的均匀性，以及如何制备碳纳米管过程中所残留的杂质清除干净。
Q16：氢能如果主要来自于电解和化石能源的副产物，如何实现无碳化？而且考虑到能源利用效率多次转换，将大大降低效率。
叶思宇院士：确实，任何一个产品从来源端到使用端，整个生命周期都必须要考虑无碳化，才能算作真正的实现了无碳化。如果来自于化石能源的副产物，且过程中不能保证与CCUS（二氧化碳捕集利用与封存技术）相结合的话，这是不可能实现无碳化的。
同时从电解水制氢谈到效率，大家可能都会注意到电解水和燃料电池是一个相反的过程。我们需要做的并不是用现有电网中的高品质电来进行电解水制氢，而是希望通过可再生能源和电解的过程匹配。如此，可以帮助现有的低品质的可再生能源变成高品质的再生能源。因此，这个过程不能单一地计算效率，而是一个互补的过程。
Q17：请问目前膜电极质量控制有哪些方法？
叶思宇院士：刚才播放的视频已经基本上说明了基本的方法和步骤。从浆料的制备到燃料电池膜电极的涂布过程，到最后的封装过程，这里面整个过程中都要保证品质的把控，需要直接进行这一些质量的监控和反馈的体系。
Q18：燃料电池汽车在未来的市场份额如何？
叶思宇院士：中国和其他国家都做了一些氢燃料电池未来市场份额相关的预测。但是预测数据可能会随着时间的变化而变化，我个人认为这是动态的。宏观地看，大家可能注意到锂电在乘用车中占有非常大的市场份额，但是我认为未来燃料电池汽车或许可以和锂电电动汽车配合。从某种意义上也可以说，气电混合、混动等这些领域，或许会成为未来汽车市场的主力军。
Q19：非贵金属催化剂的稳定性如何改善？
叶思宇院士：实事求是讲，目前还没有找到改善稳定性的最佳途径。尽管它在某些方面的稳定性已经得到了改善，但是从长远来说，还是有很多的路要走。希望各个领域的专家，不管是材料还是计算、物理方面的专家，能够我们给一些建议。
