新疆11选5走势图基本走势图:葉思宇院士:《產學研結合在燃料電池產業化中的重要作用》

新疆11选5任5遗漏查询 www.lnudx.com 4月22日,為期兩天的成都首屆國際氫能及燃料電池產業大會在成都世紀城國際會議中心盛大開幕。

本次大會是在四川省經濟和信息化廳、中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟指導下,由中國東方電氣集團有限公司和成都市氫能及燃料電池產業發展促進會聯合主辦,成都市經濟和信息化局協辦,由勢銀、東方電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司、成都華氣厚普機電設備股份有限公司、國家能源集團大渡河流域水電開發有限公司、清華四川能源互聯網研究院、四川省能源投資集團有限責任公司、成都客車股份有限公司、四川省汽車產業協會等單位聯合承辦。

在該產業大會上,鴻基創能董事兼首席技術官、加拿大國家工程院葉思宇院士,帶來以《產學研結合在燃料電池產業化中的重要作用》為主題的演講。

葉思宇院士

以下是本次大會葉思宇院士的演講實錄:

陶院士、干院士,各位嘉賓,同事們,大家早上好,非常感謝東方電氣的邀請。剛才兩位院士從宏觀層面到微觀層面都講的非常清楚了。我今天主要講產學研結合在燃料電池產業化的重要應用。

大家都在討論燃料電池到底是環境驅動還是技術和產品的要求驅動? 其實我覺得兩個都有。這幾十年來,隨著人口的增長,對能源需求提出了更大的要求。從1965年到2015年可以看出能源的需求增長巨大,很遺憾這種增長需求當中再生能源比起傳統能源的增長相對比較緩慢,這就使二氧化碳氣體排放增加相當快。為此,國際環境?;ぷ櫓?、巴黎協議要求我們的溫室釋放氣體要比1990年還要低,最好達到1990年排放的的60%甚至80%水平。僅以小轎車為例子,如果繼續使用傳統汽油/柴油車,溫室氣體排放會繼續加大。如果加上剛才兩位院士所介紹重卡和大巴, 情況就更糟了。如果改用純電動車, 情況會會改善,但是仍然高于1990溫室氣體排放60%的水平。只有當我們都用燃料電池轎車的時候,溫室氣體排放量才會達到我們所要求的理想水平,也就是1990年排放的80%的水平。

大家可以看到,世界很多國家都出臺了禁售燃油車的時間表,從2025年一直到更晚的時間。盡快很多人對這些政策制定的具體時間表示懷疑,但是,如果我們不去追究具體的時間,至少這是未來能源發展的趨勢,就是新能源汽車會逐漸取代傳統的燃油汽車。幸運的是,我們中國海南省也率先制定出了這樣一個政策,也就是在2030年禁止銷售和使用燃油汽車。

那么,氫能和燃料電池在應對全球氣候變化和能源需求的增長中扮演一個什么樣的角色呢?其實氫很多人很熟悉,只是我們原來沒有把它單獨來考慮。氫是一種很清潔的能源載體,它在我們人類很多地方和日常生活中都廣泛應用的使用到,包括剛才干院士提到的煉鋼、金屬加工,甚至平常的食品和化妝品方面也廣泛使用氫。氫的來源也多種多樣,包括用傳統化石原料-煤和天然氣制氫,用核制氫,甚至用可再生能源-風能、太陽能和電解水制氫。氫能并不等于燃料電池,更不等于燃料電池汽車,燃料電池只是氫能用的一個窗口。燃料電池汽車既然是一個窗口,我們就要展示它跟傳統的汽油車、柴油車相比,有什么好處。首先,由于我們不經過卡洛循環這個過程,所以效率會更高;由于它使用加氫這種方式跟傳統加油很相似,所以加氫時間很短;由于整個過程是電化學過程,沒有經過燃燒等過程,所以燃料電池運行起來很安靜;更重要的是,它的反映產物是水,所以是清潔的,零排放,剛才陶院士也提到。除了燃料電池汽車以外,燃料電池也可以用于家庭熱電聯用,甚至發電方面。另外一點,我想強調的是,氫能對國家能源安全性的重要作用。我們國家盡管煤很豐富,但石油長期依賴進口,如果氫能作為未來能源的主要部分,就有可能為我們國家的能源安全提供重要保障。

人們可能會問,既然燃料電池這么好,它為什么還沒有大規模產業化?它的發展現狀是什么?未來還會遇到什么問題?可能很多人相信,2018年以來燃料電池這么熱,跟豐田推出氫能燃料電池汽車有很大的關系。其實除了豐田以外,很多的汽車公司像奔馳、本田、現代、大眾奧迪在氫燃料方面也有較大布局。我們國家對燃料電池車的關注更傾向于大巴車和物流車。目前,已經有上千輛燃料電池大巴車和物流車在中國上海、北京、佛山、云浮、廣州等地運行。

除了剛才說的轎車、大巴車和物流車以外,燃料電池在重型車輛,比如說軌道交通和火車上面也有在示范運行。剛才兩位院士也說到燃料電池在重載汽車方面的應用應該是更實用的領域,尤其是重型卡車這類污染大戶。如果使用電池作為唯一動力,一個幾十噸大卡車要運行一千公里,則需要好幾頓的電池裝在卡車上。所以人們經?;崳誓愕降自讜嘶躉故竊讜說緋?。在重卡領域,純電動車無法和氫燃料電池車比美。另外,在軍用卡車上,燃料電池應該也有很大的應用,除了本身作為動力系統,還不容易被發現。

燃料電池在其他領域應用也很廣泛,比如緊急備用電源。很多年前在加勒比海遭受颶風的時候,同時有電池、柴油和燃料電池備用電源在運行,只有燃料電池在那幾天內能夠連續提供所需要的電力。在日本,熱電聯用的燃料電池產品已經有幾十萬戶家庭在使用。其實,燃料電池在叉車領域的應用可能是最成熟的商業化應用。現在在美國有幾萬兩燃料電池叉車在沃爾馬等儲存倉庫運行。它的一個優點是效率高。過去使用電池叉車通常需要同時三套電池:一套電池用來運行,一套電池用來充電,另外一套電池則需要降溫。燃料電池徹底克服了這個缺點,加氫只需要三到五分鐘。另外一個優點是燃料電池叉車的功率一天不會減低,而電池叉車則會在8小時的最后階段由于功率下降,常常舉不到最高點,而燃料電池完全沒有這方面的問題。

目前,很多國家已經對氫能和燃料電池的發展進行了規劃和布局。剛才兩位院士已經講了,我就不再重復了。

燃料電池的研發和產業化過程當中還有什么問題?為什么我們要強調產學研結合才能發揮更好的作用?剛才講到燃料電池在發展過程中,最先是各大汽車公司在占主導作用。這是好事,也很有挑戰性。好事就是一開始起點就非常高,它要求我們跟已經發展了100多年的燃油汽車相比不能有任何缺點,所以我們常常強調燃料電池的適用性要跟傳統汽車一樣。而且真正的產業化產品不僅要在理想工況下要傳統燃油車的水平,在各種極端條件下(如低溫啟動運行)也要一樣好,甚至更好。目前,燃料電池的成本任然是制約其大規模商業化的重要因素。但是,燃料電池成本的下降不能伴隨著對任何性能和壽命的衰減。所以要大規模商業化不僅要降低成本,而且要讓性能甚至壽命進一步提高。這真的是一個很大的挑戰。所以,除了加氫站等基礎設施建設外,成本和壽命是燃料電池技術大規模產業化挑戰的一個主要方面。同國外燃料電池的發展相比,國內燃料電池產業化還是存在一些相對的弱勢,尤其是在關鍵材料、系統附件和性能指標方面跟國外都還是有一定差距。剛才干院士特別提到國內很多燃料電池的關鍵技術和系統進步都很大,但是在膜電極,尤其是高功率膜電極和大批量生產能力方面,差別還是很大。

燃料電池是一個很復雜的系統工程,它涉及的方方面面非常多,涉及材料科學和工程、電化學、熱力學、機械和能量傳輸過程等多學科的知識。所以,它不能簡單把材料裝配在一起,就能得到一個好的產品。這些組裝好的材料需要同時進行電化學反應,還有傳輸水、氫氣或者氧氣,以及傳遞電子、質子和熱。就是這個只有20微米的膜電極決定了燃料電池的性能、壽命,當然還有成本。這就是我們為什么膜電極是燃料電池的核心,就像芯片在電腦和手機里面的作用一樣。膜電極的生產不僅是設計問題,還有工藝工程問題。只有獲得成分和結構都非常理想的情況下,它才能產生我們所需要的性能和壽命。只有不斷地更新和優化,我們才能把成本進一步下降。所以這方面除了電化學家、材料科學家和工程師努力以外,還需要其他領域的專家(包括計算模擬專家)的共同支持,才能把膜電極做好,燃料電池的大規模商業化才能實現。總之,這是一個跨學科多領域的系統,所以我認為這需要企業跟大學和研究所密切合作,任何一個個人甚至一個公司都很難把燃料電池產業鏈的各個方面完全做好。因為我們各自擁有我們各自的優勢和強項,當然也有我們的弱項,只有密切合作才能把燃料電池產業化早日實現。

基于這一點,我個人覺得燃料電池產業化必須首先要建立在大學和研究所的基礎研究上,我們不能盲人摸象。而一個公司的研發必須是以產品和商業化導向的研發,不應該純粹是為了發表文章,它的研發成果必須寫在產品上。除了產品研發以外,整個產品生產過程的工藝開發也非常重要。只有密切合作才能生產出一代又一代燃料電池產品,才有市場,這當中核心部件是關鍵的關鍵,這是拳頭產品。剛才強調我們沒辦法做所有的東西,我們必須跟供應鏈和合作伙伴合作,這也是非常重要的。

產學研可能是不完整的,要有政產學研用密切合作。我們需要政府對氫能整體進行政策導向;我們不僅要知道目前用戶需要什么,還要知道未來用戶需要什么。真正的新一代高技術產品不完全是通過市場調查所獲得的,下一代產品的應用也許也需要引導并且教育。這句話可能不是太合適,現在的用戶也許不知道未來需要什么。所以這一點需要產學研政和用戶密切合作,我們才能把燃料電池產業化做的更好。

剛才陶院士詳細介紹了燃料電池工作原理,這里想強調燃料電池中間有一個非常重要的關鍵核心材料叫做催化劑,它是膜電極里面重要組成部分。為什么它重要?因為所有的電化學反應在催化劑上進行;除此以外,它對燃料電池的成本影響很大。也許它在燃料電池小批量生產初期占的比例可能不是很大,但是大規模商業化時,由于其他部件隨著規?;凸こ袒徊礁納瞥殺凈峒本縵陸?,但是催化劑的成本可能不會下降。這是由于我們商業化的燃料電池催化劑是基于貴重金屬-白金的催化劑,所以它的成本很高。大家可能非常熟悉有各種各樣燃料電池催化劑的研發文章發表在各類期刊上。但是,不管是基于鉑金或者鉑合金催化劑,也包括非貴重金屬催化劑,他們在燃料電池產業化中的成熟性是不一樣的,有些還處于研發階段,有些在小規模量產,有的已經商業化了。是不是所有發表的燃料電池催化劑都可以馬上放在燃料電池上?這顯然不可能的。即使它性能很優越,也得首先批量化生產。這是個非常復雜的過程,并不是所有的單一專家就能做出來。通常人們可能認為規?;莧菀?,我原來用25毫升的燒杯,改成用成2.5升的燒瓶就能解決。不對的,燃料電池催化劑大規模量產涉及到很多復雜的熱電水過程,而且真正商業化并不是簡單的放大,最好是連續化的過程制備的。當然,如果我們要等待燃料電池催化劑大規模商業化才開始使用,我們可能等不起。所以昨天有人講等待不是簡單的等待,是要積極的等待。什么是積極的等待? 比如,我們積極跟大學合作,在研發早期階段就讓他們的產品在燃料電池(哪怕是單片或者是短堆)上進行測試,找出它從性能到壽命方面可能的優勢和缺點,并及時改進;在它量產化初級階段及時放到電堆上測試。這一切又取決于大學研究所和工業界的密切合作。再次強調任何一個個人和一個企業要單獨做好這一起,可能都非常困難。

為什么我們強調產學研在整個過程當中,不光是材料研發初期的重要性?這里舉一個例子,燃料電池催化劑一開始是負載在碳的載體上面,從碳的載體選擇到性能測試包括壽命測試都是非常復雜的過程,大學和研究所可能比企業更具備這方面的實力和能力來做這方面的研究。當催化劑負載在碳載體或者其他載體上面以后,怎么控制催化劑活性物質的大小,分布的均勻性甚至跟載體相互作用,這些都是涉及非常復雜的科學和工藝過程。當催化劑放到膜電極上面,還要加上一個重要成分-離聚物。離聚物在膜電極中起到非常重要作用:傳導質子。我們既想讓它負載在催化劑表現有利于質子傳輸,但是又不想它把催化劑完全包裹住了,這樣也可能會影響氣體傳輸。怎么保證它在三位結構里面有效傳輸電子質子氣體甚至還有傳熱這是非常需要重視的,它也涉及到非常多科學和工程方面了問題。另外,當我們產品交給用戶,我們可能會發現使用過程當中性能會衰減。我們也可以通過加速試驗來證實和理解這些變化,然后設計新的結構使它更加穩定。這一切需要各個學科共同努力。

通常我們談到燃料電池的核心材料和部件對燃料電池影響的時候,通常大家都說需要性能優異、壽命長、和低成本材料,我們才能在各種真實路況下運行好燃料電池汽車,這樣燃料電池商業化才有希望。但是,其實這兩者是相互聯系互相補充的。遺憾的是,我們真的沒有一個所謂的理想的燃料電池關鍵核心材料能夠應用到燃料電池的任何工況下都永遠不會出任何問題。我們會不斷努力,也希望我們能夠提供一代比一代的更好燃料電池膜電極和燃料電池產品。但這一切的實現,也需要燃料電池系統工程師對燃料電池的運行工況更合理的控制。這樣,我們就能根據他們系統控制的能力提供性能和價格都比較合適的產品。所以我們一定要強調燃料電池的設計、生產、使用真的是相互關聯的。燃料電池使用過程中信息和數據的采集分析同樣也需要大學研究所和工業界的密切合作,以用于下一代燃料電池產品性能的進一步提高。

基于對產學研重要性的認識,我們在廣州成立了粵港灣大灣區氫能研發中心及院士工作站。我們依托鴻基創能、雄川氫能和雄川新能,跟暨南大學和中國科學院廣州能源所也有很密切的合作。這是一個完全開放的系統,也希望跟省內外其他高校研究所和國內外其他氫能燃料電池相關的企業共同合作打造燃料電池下一代產品。鴻基創能科技廣州有限公司是2017年12月成立的,專注于膜電極的研發和生產。我們的膜電極是用連續的卷對卷的涂布工藝制備的,現在的年設計能力是30萬平米。目前的第一代膜電極產品成本比主流要低30%。2019年3月27號我們舉行了項目竣工儀式和第一代燃料電池產品的發布儀式。

最后, 我想再次強調,氫能和燃料電池不光是燃料電池汽車,它是我們未來持續發展社會的重要組成部分。當然電網在未來能源傳輸體系中的地位幾乎是不可忽視的,幸運的是氫是很好的媒介(電(特別是可再生能源)可以用來產生氫,氫可以用來發電),它可以與電并軌。通過氫能與電網并軌,我們人類社會就能夠實現持續健康的發展。謝謝大家!

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