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氫能與燃料電池是全球能源技術革命的重要方向，更是應對全球氣候變化、保障國家能源供應安全和實現可持續(xù)發(fā)展的重要選擇。
11月29日，HVFC 2023 中國（成都）氫能汽車與燃料電池產業(yè)發(fā)展大會（以下簡稱“大會”）在四川成都成功召開。
加拿大國家工程院院士、廣州大學教授、鴻基創(chuàng)能副董事長兼首席技術官葉思宇發(fā)表了主題為《燃料電池技術研發(fā)與產業(yè)化協(xié)同發(fā)展》的精彩演講，以視頻方式呈現。
葉思宇院士從氫能產業(yè)發(fā)展背景切入，分析了燃料電池技術的發(fā)展現狀，認為燃料電池關鍵材料的創(chuàng)新研發(fā)與產業(yè)化的協(xié)同發(fā)展將在助力燃料電池大規(guī)模商業(yè)化中起到至關重要的作用。
01氫能產業(yè)發(fā)展背景
目前，“碳達峰、碳中和”已成為全球共識。葉思宇院士在演講中表示，氫能是實現雙碳目標的重要途徑之一，已成為許多經濟體碳中和投資計劃的核心要素。
氫能作為一種清潔、高效、儲量大的可再生能源，為各行業(yè)脫碳提供了重要途徑，目前氫能已經應用于傳統(tǒng)能源的多個方面。
從能源構成方面看，發(fā)電和工業(yè)端是中國碳排放的主要來源，分別占中國碳排放的51%和30%。在發(fā)電領域，即可通過燃料電池將氫能轉化為電能，也可利用電解水制氫滿足儲能對于長周期、大規(guī)模、高能量的要求。在工業(yè)領域，氫能可作為燃料和化工原料參與化工行業(yè)的多個環(huán)節(jié)，幫助工業(yè)實現減碳。
基于可再生能源存在間接性、波動性等問題，葉思宇院士提出，風能、太陽能等可再生能源與氫能聯動，可構成“可再生能源-制氫-儲能-發(fā)電”的新型綠色能源體系，發(fā)揮氫能在可再生能源消納、跨長周期電力調峰等場景的應用優(yōu)勢。
02燃料電池技術發(fā)展現狀
葉思宇院士向大家分享了燃料電池的應用場景，強調成本和基礎設施建設是制約氫燃料電池實現大規(guī)模產業(yè)化發(fā)展的重要因素。
氫燃料電池的應用：乘用車
氫燃料電池的應用：其它運載車輛
氫燃料電池的應用：其它領域
成本方面，在過去的幾年里，燃料電池發(fā)動機的成本得到了大幅度下降。預計到2025年甚至2030年，燃油電池發(fā)動機的成本可與柴油車、汽油車媲美。當然，降本的同時還需進一步提升燃料電池的性能和使用壽命，才能有效推動燃料電池實現大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。
基礎設施建設方面，氫能的儲運以及加氫站的布局建設也將成為實現燃料電池大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的重要推手。
葉思宇院士表示，規(guī)?；瓦M一步的技術進步以及氫燃料電池全產業(yè)鏈的健康發(fā)展將為燃料電池汽車產業(yè)帶來成本的迅速下降。
燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展主要面臨的問題是核心技術和關鍵部件缺失。針對產業(yè)存在的問題，應重點圍繞燃料電池汽車關鍵零部件核心技術攻關，即氫燃料電池全產業(yè)鏈中八項“卡脖子”的關鍵環(huán)節(jié)：催化劑、質子交換膜、氣體擴散層；膜電極、雙極板；電堆、空壓機、氫氣循環(huán)泵。
不僅如此，開展燃料電池產業(yè)化示范應用，是支持燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的重要手段。目前，北京、上海、廣東等地先后成為國家首批燃料電池示范城市群，葉思宇院士表示，國家首批燃料電池示范城市群正式啟動示范，將極大地加速氫燃料電池的自主化和商業(yè)化進程。
03燃料電池關鍵材料創(chuàng)新研發(fā)和產業(yè)化的協(xié)同發(fā)展
電堆是燃料電池產業(yè)鏈中的重要組成部分，由膜電極和雙極板構成，其承接了從氫氣的制取到燃料電池應用這關鍵一環(huán)。膜電極是燃料電池的功能中心，隨著量產規(guī)模的逐步擴大，膜電極在電堆成本中的占比有望從60%下降至47%。從某種意義上說，膜電極成本的下降是推動燃料電池大規(guī)模產業(yè)化成本下降的關鍵因素。
近年來，多國科學家和工程師對實現成本目標的關鍵研發(fā)領域進行了詳細的研究，包括功率密度、壽命、電堆及其關鍵材料及其智能制造，這為燃料電池在2028年到2030年期間達到商業(yè)化所需要的目標成本打下了堅實的基礎。
現階段，新型燃料電池催化劑的研發(fā)成果層出不窮，但從關鍵材料的研發(fā)到落地商業(yè)化應用還需完成大量的工程化驗證，需要協(xié)同考慮催化劑、炭載體、離聚物、催化劑層相態(tài)等諸多因素，以獲得催化劑在燃料電池中最優(yōu)性能和壽命。葉思宇院士表示，其中需進一步改善的科學問題是納米-介觀的跨尺度協(xié)同增效問題，需要各界專家學者共同發(fā)力。
從關鍵材料的研發(fā)到器件設計，需要精密化、智能化的制備工藝。葉思宇院士播放視頻向大家展示了膜電極的精密化制造過程，并強調膜電極產品的良品率和一致性在很大程度上會影響到電堆的性能，為此在智能制造的過程中需經歷嚴格的質量巡檢，氣密性全檢以保障產品質量。
氫燃料電池汽車全產業(yè)鏈的工程化驗證“傳統(tǒng)”上是層層遞進，首先是核心關鍵材料物理、化學、機械性能的測試驗證，到膜電極MEA的輸出功率和穩(wěn)定性，再到燃料電池電堆在多工況條件下性能和穩(wěn)定性評估與燃料電池系統(tǒng)與BOP部件的集成和驗證，最后到燃料電池汽車在真實環(huán)境條件下的運行。但是，要實現從關鍵材料在產品上的快速應用需要創(chuàng)新的工程驗證過程，即雙向的全產業(yè)鏈上下游協(xié)同驗證過程。所有下游的驗證數據，可借助大數據及時向上游反饋并改進，同時還能為下一代燃料電池的研發(fā)提供新的思路與參考。
不僅如此，產品的耐久性和壽命、低溫儲存和啟動驗證對燃料電池大規(guī)模商業(yè)化起著保障作用，也為實現整個生命周期成本下降發(fā)揮著至關重要的作用。
葉思宇院士在演講中著重指出，燃料電池研發(fā)與產業(yè)化是一個系統(tǒng)工程。氫燃料電池關鍵材料研發(fā)和產業(yè)化在燃料電池大規(guī)模商業(yè)化中起著至關重要的作用，以產業(yè)化導向的產、學、研、用的緊密合作是關鍵材料不斷更新換代的最佳路徑，燃料電池全產業(yè)鏈多層級工程化驗證過程的密切配合更是我國研發(fā)和產業(yè)化發(fā)展的巨大優(yōu)勢。
最后，葉思宇院士向大家介紹了氫能與燃料電池的前景（2030-2050）。國際氫能委員會指出，預計到2030年，綠氫需求將增長到7500萬噸，其中三分之二將來自鋼鐵、工業(yè)、交通、航空和海運等新市場。業(yè)界的最終目標是，到2050年，氫能在零碳排放解決方案中占到總體的20%。
國際氫能委員會的“零凈氫“報告表明，到本世紀中葉，氫可以為超過五分之一的最終能源需求提供低成本的脫碳解決方案，累計減少800億噸二氧化碳——這將是達到全球變暖不超過1.5℃目標的一項基本解決方案。
在未來十年內，全球對可再生低碳氫能的需求將增長50%。到2030年，轉化為年二氧化碳減排量，相當于英國、法國和比利時二氧化碳年排放量的總和。然而，實現這一切，需要現在大力擴大生產、改善基礎設施、推廣氫能應用。正如國際氫能委員會執(zhí)行董事達里爾·威爾森所說，“簡而言之，沒有氫能就沒有氣候解決方案。”
得益于傳統(tǒng)能源企業(yè)和氫能燃料電池的“聯誼”，氫能燃料電池發(fā)展迅速。氫能燃料電池發(fā)展不再是一個純粹燃料電池汽車的發(fā)展，而是與整個能源體系密切相關。正因為此，未來氫網和電網通過“氫-電轉換”的有效聯接，構成清潔、高效的終端用能系統(tǒng)，將會為可持續(xù)性健康發(fā)展的未來社會提供堅實的保障。
