叶思宇：示范城市群启动背景下燃料电池的创新研发和产业化发展

大家都知道碳达峰和碳中和是最近非常热烈的话题，确实随着人类人口的增长，对能源的需求也在进一步增长。在“双碳”背景下，氢能能够起到什么作用呢？我国碳排放的分布广泛，在交通、工业等领域都有很大的碳排放，尤其是在用煤发电领域。幸运的是，在所有的碳排放整个周期中，氢能都能发挥它的作用，不仅能以燃料电池的方式在交通领域发挥重要的作用，同时能够进行发电，对发电的结构发生变化；在工业、农业等领域中，氢能都能起到很大的作用，如炼钢、化肥，更重要的是氢能可以通过再生能源发电产生绿氢。所以说氢能与燃料电池作为能源技术革命创新的重要行动之一，在减排及碳中和碳达峰过程中发挥至关重要的作用。

新能源革命中，可再生能源有着非常举足轻重的作用，不仅是风电还是光伏发电，都是非常重要，但是不幸的是这些新能源的发电方式是有一定的间歇性问题，如果要让它们成为未来能源体系中可持续发展能源，必须解决间歇性问题。氢能正好可以从中发挥作用，不仅能够帮助把间歇性的东西克服，还可以通过发电产生的绿氢运用到交通、工业领域，甚至可以进行发电。

大家知道氢能产业链条非常长，从氢气的生产、储存运输、供应到终端的应用，在这个过程中，根据这几十年的发展，制氢、储氢和燃料电池关键材料应该是核心突破的方向。我国在去年9月份出台的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》提出要主攻核心技术和关键模件，所以选择城市群都是要围绕燃料电池汽车、关键零部件核心攻关技术进行开发。今年8月，五部委确定北京市、上海市、广东省作为首批燃料电池汽车示范应用城市群。

燃料电池技术发展到今天，还有哪些剩下的技术挑战？首先，我们谈到燃料电池的发展，尽管近二十几年来取得了长足的进步，但要知道燃料电池在交通领域的应用，是要跟一百多年历史的燃油车相竞争，不管是在成本上面要进行有效的竞争，而且要在性能、寿命等方面进行非常有效地竞争。同时，当只有这几个性能、寿命和成本同时达到用户的要求，我们才可能实现大规模的商业化。由于氢能基础设施建设严重滞后，如加氢站的建设以及制氢和储氢等，也是燃料电池大规模产业化所面临的一些挑战。

基础设施的建设，尤其是燃料电池和氢能成本的进一步下降是目前面临的最大技术和商业挑战。为此，氢能和燃料电池产业化的发展，不管是研发还是产业方面，都要应对商业化所需要的要求。比如说在成本上面，我们要尽使用比较低的贵金属催化剂，其他的燃料电池的关键材料和核心部件也要大规模成本下降。在应对性能的要求，我们也需要进行燃料电池电机性能的进一步革新，寿命也要进一步提高。氢气的制取、运输、储氢材料的发展，都要进一步技术创新和产业化。只有同时实现这些技术的进步和规模化，成本进一步下降，性能和寿命进一步提升，才能进行大规模的商业化。

为了应对燃料电池的商业化发展，我们需要在整个氢能与燃料电池全产业链进行布局和技术创新、产业化进步，不仅是上游的氢气制取和储运，到下游的终端应用，也包括无人机、固定发电、军用等其他领域的应用。而串联在一起就是燃料电池技术，在系统方面，空压机、加湿器等的技术进步和产业化也至关重要，但是燃料电池电堆，尤其是膜电极和双极板的技术创新、产业化发展对整个氢能产业链起到至关重要的作用。主要原因是膜电极是燃料电池的核心，它不仅是燃料电池的功能中心，包括多界面、多相台、多物种、气热电等等的耦合；同时膜电极也是一个技术集散中心，这里面要超过12种核心材料多尺度集中在只有几百微米厚的燃料电池膜电极中。刚才提到燃料电池仍然在使用以铂金为主的贵金属催化剂，所以它在整个燃料电池的电堆成本中占有非常高的比例，不仅是现在千套、万套级的系统，到未来50万，甚至是几百万的燃料电池系统，膜电极成本占比也高达60%以上。

对应燃料电池的研发和产业化有哪些发展路径？我们认为燃料电池的研发和产业化发展离不开以下四个方面：首先是核心材料的研发和自主产业化；二是核心材料的筛选和催化层结构的优化；三是膜电极制成工艺连续化和装备自主化；四是多层级的工程化验证。这些过程不仅是从一个方向到另外一个方向，而应该是双向的，每个过程都应该把所产生的数据、信息、经验回返给上一层级，只有这样才能保证多工位、多层次的工程化验证顺利的加速实施。

谈到燃料电池膜电极关键材料和研发，我们不得不谈到催化剂、气体扩散层、质子交换膜这三个至关重要的关键材料的创新研发和产业化。近年来，燃料电池催化剂由于使用铂金贵金属材料，使得成本下降仍然是最重要的制约瓶颈之一，所以各类燃料电池的催化剂都在进行创新研发，不仅是传统熟知的铂金催化剂，还包括铂金和其他非贵金属的合金，甚至是非贵金属的发展都有长足进步。当然，这些发展的趋势和时间线取决于它们相对的技术成熟度，所以这方面也需要从材料的制备、研发，到膜电极的验证，到电堆、系统、整车的验证，进行统一。同时，质子交换膜这几年的发展一直向轻薄型、强韧型发展，他们当然要应对燃料电池整个生命周期所需要的成本进行不断的技术革新和进步。

燃料电池膜电极的规模化制备也对燃料电池的成本起到非常重要的作用，燃料电池膜电极的制备有多种方法，当然它们有各自优缺点，但要应对大规模化制备，必须要考虑的是它们整个生产过程的成本问题，还有设备公司对工艺过程的理解，使得我们不断有更新的制备设备能保证产能和良品率的控制，当然膜电极本身的设计和一体化也需要进一步发展。

谈到连续制成工艺化，燃料电池膜电极的制备跟传统锂电池和其他相关膜电极的制备有相同之处，也有很大的不一样，这里面要求我们不仅是要有制备过程的控制，还需要跟质子膜溶胀、涂布的控制，都要整体进行考虑。只有这样才能保证实现高速涂布均匀性、高良品率，我们要不断进行工艺过程的优化、简化，同时还要增大产能。

谈到这里，想谈一下生产和检测装备自主化和国产化的重要性，这也是过去经常所提到的，我们不仅要有蛋，而且有会生蛋的母鸡。在这个过程中，生产过程的工程技术人员和设备工程师、企业多方面合作配合，才能保证把生产及检测装备的自主化和国产化得以实现。

燃料电池膜电极要真正应用到大规模的商业化，不仅是车用燃料电池、发电设备、几十千瓦级的电堆，还有未来几百千瓦级的电堆，甚至更高，因此燃料电池良品率是非常重要的。有简单的计算式，当燃料电池良品率从100%降到90%的时候，膜电极良品率的下降会导致电堆成本增加将近60%，如果电堆是更大的，几百千瓦，像商用卡车300千瓦的电堆，它的成本增加将会更大，所以良品率至关重要。同时，未来针对燃料电池一致性的要求也非常高，特别是几百上千片燃料电池膜电极在单一电堆中的组装，电堆的高一致性要求是非常高的。非常荣幸的是鸿基创能经过两年多的不断努力，不仅把CCM良品率提高到99.9%，膜电极也在99.3%以上，产能也进一步提高，电堆的高一致性也在电堆层面得到充分验证。

燃料电池膜电极要得到广泛的应用，不仅是要在研发和产业化多努力，而且要尽快进行验证，而且验证一定要在电堆层级，甚至系统发动机和整车层级实现性能、成本、寿命的同步验证。当然寿命的验证是至关重要的，一个真正的产品没有寿命，就谈不上产品，它只能是一个样品。加速实验的测试，台架上面的测试，甚至在汽车运行过程中的测试，对寿命的验证是非常重要的。要到真正装车上路进行验证，要保证燃料电池的性能、反应得到充分的体现。不光是在理想条件下的验证，还要在极端条件下，包括低温储存和冷启动得到广泛验证。只有从膜电极、电堆、整车的多种验证得以实施，我们才能同时投入到多地方、多重燃料电池的广泛应用，这样才能真正进行商业化发展阶段。

要实现整个过程，我认为氢能与燃料电池产业链的学研用广泛结合是非常重要的，可能过去大家非常熟悉的产学研的结合，应对氢能与燃料电池产业化发展的初期和未来的发展方向，我们认为以产业化导向的研发是非常重要的，当然这里要不断的把大学和研究所的基础研究成果转化到产业化研发当中，这里面不仅是新材料的研发，还包括研究方法的引进，研究人才的引进。当然，我们也非常要重视产品工艺的开发，因为真正的产品设计和产品工艺开发的结合，才能保证我们不断有新一代燃料电池产品出来，这里面包括前面提到的核心材料、关键部件、设备研发和产业化是非常重要的。

同时，我们想强调的是任何一个单位可能都非常难进行全产业链的研发和产业化，所以我们要和供应链、合作伙伴密切配合，保证整个过程的实施，只有这样我们才能保障工程化验证是随时的，甚至是某种形式上的并联方式进行，才能加速整个产业化的过程。只有通过这样，我们生产的产品才会越来越多，产量才会越来越大，我们供应的市场和销售的东西才会越来越及时，越来越好。

同时，在中国政府的导向、政策和补贴，也起到非常重要的作用，这次燃料电池示范城市群的公布也会对这个过程起到进一步的加速作用。我们要密切收集目前甚至是将来用户的各种信息，这种信息的及时反馈，才是燃料电池下一代产品研发的基石之一。

最后作一个简单小结，希望通过这个简单的介绍，大家能够认可氢燃料电池具有广泛的应用场景，目前正处于大规模商业化初期。国内首批燃料电池汽车示范城市群正式启动，将极大加速氢燃料电池自主化和商业化进程。我们也清楚知道氢燃料电池大规模商业化目前仍然面临严峻的成本挑战，进一步的规模化和技术进步、全产业链的健康发展，我们相信将会带来成本的迅速下降。要实现这点，产业化导向的政产学研用的紧密合作，是保证技术进步的最佳路线。我们也多次强调，氢燃料电池全产业链多层级工程化验证过程的密切配合是我国研发和产业化发展的巨大优势。氢能是实现“双碳”目标的重要途径之一，已经成为许多经济体碳中和投资计划的核心要素，我们相信氢能与风能、太阳能等可再生能源一起将构筑完整的绿色能源系统。谢谢大家！