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叶思宇:为燃料电池注入“中国芯”

来源:广州日报  作者:龙锟  2021-04-26 12:58:18

当事业处在巅峰之时,放下海外的功名和安逸,回到国内重新开始……一般人难以理解加拿大国家工程院院士叶思宇的人生选择,但他的回应总是非常简单:“我只是想做点事。”在温和的语言背后,他用行动展现着应对技术挑战的强大自信,还有助力国家能源结构调整的满腔热情。

中国已提出实现2030年碳达峰、2060年碳中和的国际承诺,调整目前以化石能源为主的能源结构势在必行。氢能来源多样,能实现终端零排放、环境友好,且质量能源密度更远超化石能源。所以氢能技术因此是减碳的关键,更成为新一轮科技革命和产业变革的竞争前沿。

氢能的扩大应用离不开燃料电池技术的提升。但中国的燃料电池处于发展初期,各个环节工艺不成熟,与国外先进水平有着一定的差距。作为国际公认燃料电池电催化和膜电极的领军人物,叶思宇院士在电化学尤其是燃料电池方面具有30余年研发和产业化经验。他的归国有助于改变现状,还增加了“并跑和赶超”的可能性。在他带领下,被称为燃料电池“芯片”的膜电极已经实现“高质低本”的自主化生产,产品已经进入世界先进水平之列。



叶思宇院士


“我们常说超越世界先进水平,但可能是超越世界今天的先进水平。但别人也在进步,我们还要不停地奔跑。”叶思宇审慎地说道。新的事业刚刚起步,他随时准备迎接更多挑战。

立志:研发成果要为世人所用

1988年,学习电化学的博士生叶思宇从厦门大学毕业。此后他赴德国杜伊斯堡大学求学,在德国完成第一个博士后研究。

“以前我的终极目标可能是当名科学家或者教授,但德国的导师给了我另一种影响。”叶思宇回忆,在德国留学期间,他和同事曾被邀请去福特公司参观。参观过程中,福特的工程师突然发问:“知不知道我们用的汽车喷涂油漆配方专利是哪里来的?”叶思宇当时一头雾水。

对方立即指出,专利人正是站在身旁的弗里茨·贝克(Fritz Beck)导师。不仅如此,导师关于化工和材料的研究,都在工业界得到了广泛应用,这当时让一众人好生佩服。

“你发几篇论文,除非获得诺贝尔奖,否则没有几个人会记住你,但是一辆车20年还在用你的配方,这种影响非常深远。”叶思宇说,贝克导师不断向他灌输产业化导向研究的重要性,自己第一个专利也是在其指导下完成。“当时我个人都没想到申请专利。后来我就先申请专利,申请下来后再发表文章。”

1991年,叶思宇再赴加拿大魁北克大学继续博士后深造。博士后出站后,他在魁北克水电公司研究院担任高级研究员。

在1999年一次公司间的交流中,他激起了巴拉德公司副总裁(也是后来叶思宇提名为院士的第一推荐人)的爱才之心。巴拉德1989年就开始从事质子交换膜燃料电池开发和研制业务 ,目前已是世界上最重要的燃料电池生产商 ,拥有世界一流的先进技术。

在力邀之下,叶思宇2000年加入了巴拉德,当时他已经40岁。魁北克水电公司研究院是一家政府所有的公共机构,工作稳定。即便叶思宇离开后,研究院还给了他停薪留职。但叶思宇坚持了自己的选择。“我不愿意纯粹发完论文就了事,更希望自己的研发有一天变成真正的产品,为世人所使用。”他说。

攻坚:技术突破奠定燃料汽车产业化基础

上世纪60及70年代,氢燃料电池应用在载人登月的“阿波罗”飞船上。科学家们在努力将氢燃料电池的使用从航天领域扩展到更大范围。巴拉德则希望进一步改善氢燃料电池性能,以符合汽车领域的应用要求。叶思宇承担起燃料电池研发的任务。



对于氢能源的使用,燃料电池非常重要


叶思宇与团队研发出抗反极催化剂,解决了氢燃料电池车的冷启动问题。2002年他因此被破格提拔为巴拉德公司首席科学家。此后他还开发了抗碳腐蚀的阴极催化剂层,以延长燃料电池的寿命。这些关于燃料电池电堆冷启动和耐久性技术的发明,从根本上推动了整个燃料电池产业的商业化进程。

与单纯作为能源储存装置的锂电池不同,氢燃料电池是能源转换装置,注入的氢气通过电化学反应产生电流。

膜电极被称为燃料电池的芯片,是因它决定着燃料电池的性能、寿命及成本。简单而言,膜电极主要由质子交换膜,催化层以及气体扩散层组成。在质子交换膜一侧的阳极上,氢气被铂催化剂分解为电子和质子;质子可以穿过质子交换膜,与空气中的氧和阳极放出并经外电路传导的电子在阴极生成水排出,产生电流。,

而叶思宇带队开发出世界最高水平的燃料电池催化剂,直接领导了燃料电池核心组件膜电极的生产工艺过程开发,使巴拉德公司成为世界上极少数几个能大规模工业化生产膜电极的先进企业。

“当时我加入巴拉德的愿望实现了,我们研发的产品组装进入了小轿车、大巴、叉车和发电设备,很多车我还开过,这种感觉真是非常好。”叶思宇说道。



叶思宇2018年当选为加拿大工程院院士


因为在氢燃料电池产业化方面的卓越贡献,叶思宇2018年当选为加拿大工程院院士。

归国:为膜电极自主化生产迈出第一步

2019年,氢能源首次写入国务院政府工作报告,氢能战略也是碳中和目标实现的重要组成部分。如今氢能产业布局成了很多地方政府的工作重点。

虽然目前制氢、运氢、储氢、加氢等链条都有很多问题需要解决,但是膜电极等关键核心部件的突破是不可回避的难题。

中国专注于膜电极研发生产的企业并不多,电极主流市场目前也被巴拉德、庄信万丰、戈尔等外企掌控。国家非常渴求叶思宇这样具有实际产业化经验的人才。



氢能源公交车


2018年在功成名就之时,叶思宇却离开了巴拉德,回到中国从头开始。他坚信,中国氢能事业有着更大的机遇,未来有更大的平台去施展,同时推动中国膜电极自主化生产也是他们团队共同的目标。

常人难以理解这样的决定,有人曾经问:“是不是想把巴拉德那套方案搬到中国,然后生产出来?”他反问道:“如果我还留在巴拉德,你觉得我会在干什么?”

在叶思宇看来,氢燃料电池仍然需要降低成本来实现广泛应用,但电池的性能和寿命却在成本降低之下不断升级。技术的挑战会不断涌现,这要依靠材料和设计的不断革新。

“即便在加入巴拉德之初,我们也研发出和前任完全不一样的产品,因为知其然、知其所以然,我们不需要去照抄别人的东西,也能达到更好。”叶思宇说。

2018年11月,叶思宇加入鸿基创能科技(广州)有限公司,担任副董事长兼首席技术官,此时他已58岁。而鸿基创能是一家成立于2017年12月的初创企业,致力于燃料电池膜电极的研发生产。



鸿基创能是2017年末在广州成立的初创公司


谈起选择广州的原因,叶思宇表示,首先广州所处的大湾区有支持氢燃料电池产业链配套的能力。其次广州的科教资源丰富,能够保证产业所需的工程技术人员。最后,广东省、广州市和黄埔区/广州开发区政府对氢能产业有很高的认知度,并给与了有力的政策支持。

2019年3月,全国首家燃料电池膜电极产业化项目在鸿基创能正式竣工,这打破了中国燃料电池膜电极依赖进口的局面,填补目前国内在相关产业上的空白。如今该项目的满产年产能达30万平方米,如果按照100千瓦的燃料电池单堆功率来计算,可以满足3万台车的装机需求。

膜电极的成本约占到整车成本的1/6,而目前国产化所实现的进口替代可促成20%到30%的成本下降。使用鸿基创能膜电极的燃料电池比国外进口产品的性能提升了35%,成本下降了30%, 千瓦成本下降了50%, 极大地推动了国产燃料电池电堆的成本下降。当前鸿基创能的产线日夜不停地运作,以应对不断涌来的订单。



黄埔区的氢燃料电池泥头车


“如今已有十款使用鸿基创能膜电极的车辆进入工信部的目录,正处在测试验证阶段。其中行驶公里最长的车辆跑了3万多公里。”叶思宇介绍说。

面对未来更加激烈的氢能竞争,叶思宇有着更加审慎和长远的思考,他正带领团队开发第三代和第四代的产品,以期实现功率密度的逐步提升和耗氢量的逐步下降。他们在和国内与催化剂、质子交换膜、碳纸等关键材料的厂商展开密切合作,努力实现膜电极的全产业链自主化。

“我不认为我们已经比世界最先进水平更先进,达到世界先进水平和自主可控都是我们的努力目标。但我们在进步,他们也在进步。最后的结果无法预知,但我们要行动起来。”叶思宇坚定地说。他相信,为中国燃料电池“注芯”的事业“道阻且长,行则将至。行而不辍,未来可期”

对话加拿大国家工程院院士叶思宇:不能完全以写论文的分析思路去解决实际问题



叶思宇院士接受广州日报记者采访


广州日报:像现代汽车、丰田汽车这些国际汽车巨头最近都在中国布局燃料电池系统研发。如此多的国际巨头进入中国市场,是否会影响中国燃料电池自主化的突围?

叶思宇:我也是从国外回来的,从来不认为对手只来自国内。国际龙头企业在周围与你竞争是一件好事,这强迫你高质量地要求自己。如果没有压力,就无法产出世界最先进水平的产品。与其被动接受压力,不如主动接受压力。如果国际巨头进来,就有种“狼来了”的恐惧感,那就不用再从事这个事业了。

广州日报:目前燃料电池汽车和纯电汽车的技术路线仍然有纷争。因为成本和技术的原因,燃料电池汽车的推广范围依然有限,您如何看待燃料电池汽车的前景?

叶思宇:燃料电池和锂电池并不是完全竞争的态势,未来它们之间的集成或者混动会更有前景。目前据我所知,很多锂电池公司也在布局燃料电池。我也不喜欢用“新能源汽车”的终极路线来定义燃料电池或者锂电池,因为技术永远在发展和演变的过程中,锂电池未来的发展也受到很多人的推崇,比如说固态锂电池就能极大提高锂电的能量密度。

广州日报:有人质疑制氢过程中也会释放碳,如何看待氢能产业对2030年碳达峰、2060年碳中和目标的意义?

叶思宇:利用传统化石能源制备氢气确实会产生一些碳,但是有两个方面要注意。一是传统能源汽车随地随时产生二氧化碳,这些二氧化碳无法被收集利用。二是制作氢气产生的二氧化碳是集中的,它们可以做到及时封存和利用。总体来说,碳排放还是减少的。

而利用可再生能源电解水制氢的方式不排放碳,未来随着技术的发展,我们如果可以更多使用可再生能源发电,如此氢也可以通过零碳的方式来获得。

广州日报:在巴拉德工作期间,工程部的同事说您不像研发部门的人。您身为科研人员却在产业化方面却有极高的技术修为,这种能力是国内科研人员需要学习的。能谈谈您的心得吗?

叶思宇:工程部门往往对研发部门有些偏见,觉得研发部门的人纸上谈兵,做的东西跟实际应用脱节,所以他们说我不像研发部门的人。但我带的团队集研发、工程、生产于一体,最终是把产品生产出来了。

如今大企业也在注重基础研究,但小中企业的研发一定要以产品和产业化导向。企业要从客户及时了解产品的问题,并加以解决, 并应用于设计下一代产品。其中需要分别哪些问题需要从现有的工程化过程中克服,哪些问题需要从更基础的研究层面去解决。企业这样做就能有针对性地与大学和研究所合作。如果放弃了这一点,下一代产品的研发根基都没有了。

如此以来,在产学研合作过程中,企业会有三个益处,第一,很可能大学研发的材料能成为下一代产品材料的基石。第二,研究过程中所产生的方法可以直接拿来应用,解决企业的问题。第三,合作可以培养企业所需的人才。

广州日报:您所在企业也招了一批工程师和研究生,他们对工程问题的解决能力如何?

叶思宇:动手的能力,或者想解决产品问题的动力还需要进一步加强,这和导师的方向性和执行性有关系。我有时候甚至给一些刚毕业的研究生说,暂时忘掉过去三年做了什么,就下到车间看看生产过程,看看到底有什么问题需要解决,如何解决?即使你想通了,也不要马上就动手,可先讨论一下,看看该怎么做,因为这有两个问题,第一是发现的问题可能根本不是问题,别人已经可能解决了。第二个是解决问题需要一个明确的思路,弄明白到底想改进什么。

往往在针对工程问题的分析报告中,我会发现会有目的性不明确的现象。我常会“强迫”他们写出实施的方法是对应哪个问题。如果用写科研论文的分析方法,来解决一个实际的问题,可能不是很恰当。

广州日报:您选择回到中国开始新的事业,您对未来的畅想和希望是什么?

叶思宇:氢燃料电池汽车不等于氢燃料电池,氢燃料电池也不等于氢经济氢产业。 氢实际应用的场景远超过燃料电池这个领域。只不过燃料电池汽车的可观性和展示性都很好,大家都喜欢从此入手。但氢能燃料电池在氢能利用中有不可替代的作用。

我希望未来氢能在国民经济中涵盖更大的范围,和其他绿色能源一起构筑中国绿色低碳的能源体系。

广州日报:来到广州工作也有3年之久,觉得这里的科创氛围和人才政策如何?

叶思宇:首先,这里把外国院士与中国院士同等对待,我非常自豪。我们可以有幸聆听政府的发展计划研讨会等各种活动,这带来一种“被重视”的感受。

此外,广东省、广州市在制定新能源汽车相关产业政策会非常及时地征求我们的意见。我是广东省新能源汽车燃料电池专家组的组长,参与审阅了一批关于产业政策的白皮书等文件。省、市科技部门在制定科研发计划时,也会极大地尊重并接受我们的意见。

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