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葉思宇院士介紹氫燃料電池的核心部件膜電極
當(dāng)事業(yè)處在巔峰之時，放下海外的功名和安逸，回到國內(nèi)重新開始……一般人難以理解加拿大國家工程院院士葉思宇的人生選擇，但他的回應(yīng)總是非常簡單：“我只是想做點(diǎn)事。”在溫和的語言背后，他用行動展現(xiàn)著應(yīng)對技術(shù)挑戰(zhàn)的強(qiáng)大自信，還有助力國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的滿腔熱情。
中國已提出實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的國際承諾，調(diào)整目前以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)勢在必行。氫能來源多樣，能實(shí)現(xiàn)終端零排放、環(huán)境友好，且質(zhì)量能源密度更遠(yuǎn)超化石能源。所以氫能技術(shù)因此是減碳的關(guān)鍵，更成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的競爭前沿。
氫能的擴(kuò)大應(yīng)用離不開燃料電池技術(shù)的提升。但中國的燃料電池處于發(fā)展初期，各個環(huán)節(jié)工藝不成熟，與國外先進(jìn)水平有著一定的差距。作為國際公認(rèn)燃料電池電催化和膜電極的領(lǐng)軍人物，葉思宇院士在電化學(xué)尤其是燃料電池方面具有30余年研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。他的歸國有助于改變現(xiàn)狀，還增加了“并跑和趕超”的可能性。在他帶領(lǐng)下，被稱為燃料電池“芯片”的膜電極已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“高質(zhì)低本”的自主化生產(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)水平之列。
葉思宇院士
“我們常說超越世界先進(jìn)水平，但可能是超越世界今天的先進(jìn)水平。但別人也在進(jìn)步，我們還要不停地奔跑。”葉思宇審慎地說道。新的事業(yè)剛剛起步，他隨時準(zhǔn)備迎接更多挑戰(zhàn)。
立志：研發(fā)成果要為世人所用
1988年，學(xué)習(xí)電化學(xué)的博士生葉思宇從廈門大學(xué)畢業(yè)。此后他赴德國杜伊斯堡大學(xué)求學(xué)，在德國完成第一個博士后研究。
“以前我的終極目標(biāo)可能是當(dāng)名科學(xué)家或者教授，但德國的導(dǎo)師給了我另一種影響。”葉思宇回憶，在德國留學(xué)期間，他和同事曾被邀請去福特公司參觀。參觀過程中，福特的工程師突然發(fā)問：“知不知道我們用的汽車噴涂油漆配方專利是哪里來的？”葉思宇當(dāng)時一頭霧水。
對方立即指出，專利人正是站在身旁的弗里茨·貝克（Fritz Beck）導(dǎo)師。不僅如此，導(dǎo)師關(guān)于化工和材料的研究，都在工業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，這當(dāng)時讓一眾人好生佩服。
“你發(fā)幾篇論文，除非獲得諾貝爾獎，否則沒有幾個人會記住你，但是一輛車20年還在用你的配方，這種影響非常深遠(yuǎn)。”葉思宇說，貝克導(dǎo)師不斷向他灌輸產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向研究的重要性，自己第一個專利也是在其指導(dǎo)下完成。“當(dāng)時我個人都沒想到申請專利。后來我就先申請專利，申請下來后再發(fā)表文章。”
1991年，葉思宇再赴加拿大魁北克大學(xué)繼續(xù)博士后深造。博士后出站后，他在魁北克水電公司研究院擔(dān)任高級研究員。
在1999年一次公司間的交流中，他激起了巴拉德公司副總裁（也是后來葉思宇提名為院士的第一推薦人）的愛才之心。巴拉德1989年就開始從事質(zhì)子交換膜燃料電池開發(fā)和研制業(yè)務(wù) ，目前已是世界上最重要的燃料電池生產(chǎn)商 ，擁有世界一流的先進(jìn)技術(shù)。
在力邀之下，葉思宇2000年加入了巴拉德，當(dāng)時他已經(jīng)40歲。魁北克水電公司研究院是一家政府所有的公共機(jī)構(gòu)，工作穩(wěn)定。即便葉思宇離開后，研究院還給了他停薪留職。但葉思宇堅(jiān)持了自己的選擇。“我不愿意純粹發(fā)完論文就了事，更希望自己的研發(fā)有一天變成真正的產(chǎn)品，為世人所使用。”他說。
攻堅(jiān)：技術(shù)突破奠定燃料汽車產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)
上世紀(jì)60及70年代，氫燃料電池應(yīng)用在載人登月的“阿波羅”飛船上。科學(xué)家們在努力將氫燃料電池的使用從航天領(lǐng)域擴(kuò)展到更大范圍。巴拉德則希望進(jìn)一步改善氫燃料電池性能，以符合汽車領(lǐng)域的應(yīng)用要求。葉思宇承擔(dān)起燃料電池研發(fā)的任務(wù)。
對于氫能源的使用，燃料電池非常重要
葉思宇與團(tuán)隊(duì)研發(fā)出抗反極催化劑，解決了氫燃料電池車的冷啟動問題。2002年他因此被破格提拔為巴拉德公司首席科學(xué)家。此后他還開發(fā)了抗碳腐蝕的陰極催化劑層，以延長燃料電池的壽命。這些關(guān)于燃料電池電堆冷啟動和耐久性技術(shù)的發(fā)明，從根本上推動了整個燃料電池產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化進(jìn)程。
與單純作為能源儲存裝置的鋰電池不同，氫燃料電池是能源轉(zhuǎn)換裝置，注入的氫氣通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。
膜電極被稱為燃料電池的芯片，是因它決定著燃料電池的性能、壽命及成本。簡單而言，膜電極主要由質(zhì)子交換膜，催化層以及氣體擴(kuò)散層組成。在質(zhì)子交換膜一側(cè)的陽極上，氫氣被鉑催化劑分解為電子和質(zhì)子；質(zhì)子可以穿過質(zhì)子交換膜，與空氣中的氧和陽極放出并經(jīng)外電路傳導(dǎo)的電子在陰極生成水排出，產(chǎn)生電流。,
而葉思宇帶隊(duì)開發(fā)出世界最高水平的燃料電池催化劑，直接領(lǐng)導(dǎo)了燃料電池核心組件膜電極的生產(chǎn)工藝過程開發(fā)，使巴拉德公司成為世界上極少數(shù)幾個能大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)膜電極的先進(jìn)企業(yè)。
“當(dāng)時我加入巴拉德的愿望實(shí)現(xiàn)了，我們研發(fā)的產(chǎn)品組裝進(jìn)入了小轎車、大巴、叉車和發(fā)電設(shè)備，很多車我還開過，這種感覺真是非常好。”葉思宇說道。
葉思宇2018年當(dāng)選為加拿大工程院院士
因?yàn)樵跉淙剂想姵禺a(chǎn)業(yè)化方面的卓越貢獻(xiàn)，葉思宇2018年當(dāng)選為加拿大工程院院士。
歸國：為膜電極自主化生產(chǎn)邁出第一步
2019年，氫能源首次寫入國務(wù)院政府工作報告，氫能戰(zhàn)略也是碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要組成部分。如今氫能產(chǎn)業(yè)布局成了很多地方政府的工作重點(diǎn)。
雖然目前制氫、運(yùn)氫、儲氫、加氫等鏈條都有很多問題需要解決，但是膜電極等關(guān)鍵核心部件的突破是不可回避的難題。
中國專注于膜電極研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)并不多，電極主流市場目前也被巴拉德、莊信萬豐、戈?duì)柕韧馄笳瓶亍曳浅？是笕~思宇這樣具有實(shí)際產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)的人才。
氫能源公交車
2018年在功成名就之時，葉思宇卻離開了巴拉德，回到中國從頭開始。他堅(jiān)信，中國氫能事業(yè)有著更大的機(jī)遇，未來有更大的平臺去施展，同時推動中國膜電極自主化生產(chǎn)也是他們團(tuán)隊(duì)共同的目標(biāo)。
常人難以理解這樣的決定，有人曾經(jīng)問：“是不是想把巴拉德那套方案搬到中國，然后生產(chǎn)出來？”他反問道：“如果我還留在巴拉德，你覺得我會在干什么？”
在葉思宇看來，氫燃料電池仍然需要降低成本來實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，但電池的性能和壽命卻在成本降低之下不斷升級。技術(shù)的挑戰(zhàn)會不斷涌現(xiàn)，這要依靠材料和設(shè)計的不斷革新。
“即便在加入巴拉德之初，我們也研發(fā)出和前任完全不一樣的產(chǎn)品，因?yàn)橹淙弧⒅渌匀唬覀儾恍枰フ粘瓌e人的東西，也能達(dá)到更好。”葉思宇說。
2018年11月，葉思宇加入鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司，擔(dān)任副董事長兼首席技術(shù)官，此時他已58歲。而鴻基創(chuàng)能是一家成立于2017年12月的初創(chuàng)企業(yè)，致力于燃料電池膜電極的研發(fā)生產(chǎn)。
鴻基創(chuàng)能是2017年末在廣州成立的初創(chuàng)公司
談起選擇廣州的原因，葉思宇表示，首先廣州所處的大灣區(qū)有支持氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈配套的能力。其次廣州的科教資源豐富，能夠保證產(chǎn)業(yè)所需的工程技術(shù)人員。最后，廣東省、廣州市和黃埔區(qū)/廣州開發(fā)區(qū)政府對氫能產(chǎn)業(yè)有很高的認(rèn)知度，并給與了有力的政策支持。
2019年3月，全國首家燃料電池膜電極產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目在鴻基創(chuàng)能正式竣工，這打破了中國燃料電池膜電極依賴進(jìn)口的局面，填補(bǔ)目前國內(nèi)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)上的空白。如今該項(xiàng)目的滿產(chǎn)年產(chǎn)能達(dá)30萬平方米，如果按照100千瓦的燃料電池單堆功率來計算，可以滿足3萬臺車的裝機(jī)需求。
膜電極的成本約占到整車成本的1/6，而目前國產(chǎn)化所實(shí)現(xiàn)的進(jìn)口替代可促成20%到30%的成本下降。使用鴻基創(chuàng)能膜電極的燃料電池比國外進(jìn)口產(chǎn)品的性能提升了35%，成本下降了30%， 千瓦成本下降了50%, 極大地推動了國產(chǎn)燃料電池電堆的成本下降。當(dāng)前鴻基創(chuàng)能的產(chǎn)線日夜不停地運(yùn)作，以應(yīng)對不斷涌來的訂單。
黃埔區(qū)的氫燃料電池泥頭車
“如今已有十款使用鴻基創(chuàng)能膜電極的車輛進(jìn)入工信部的目錄，正處在測試驗(yàn)證階段。其中行駛公里最長的車輛跑了3萬多公里。”葉思宇介紹說。
面對未來更加激烈的氫能競爭，葉思宇有著更加審慎和長遠(yuǎn)的思考，他正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)第三代和第四代的產(chǎn)品，以期實(shí)現(xiàn)功率密度的逐步提升和耗氫量的逐步下降。他們在和國內(nèi)與催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙等關(guān)鍵材料的廠商展開密切合作，努力實(shí)現(xiàn)膜電極的全產(chǎn)業(yè)鏈自主化。
“我不認(rèn)為我們已經(jīng)比世界最先進(jìn)水平更先進(jìn)，達(dá)到世界先進(jìn)水平和自主可控都是我們的努力目標(biāo)。但我們在進(jìn)步，他們也在進(jìn)步。最后的結(jié)果無法預(yù)知，但我們要行動起來。”葉思宇堅(jiān)定地說。他相信，為中國燃料電池“注芯”的事業(yè)“道阻且長,行則將至。行而不輟，未來可期”
對話加拿大國家工程院院士葉思宇：不能完全以寫論文的分析思路去解決實(shí)際問題
葉思宇院士接受廣州日報記者采訪
廣州日報：像現(xiàn)代汽車、豐田汽車這些國際汽車巨頭最近都在中國布局燃料電池系統(tǒng)研發(fā)。如此多的國際巨頭進(jìn)入中國市場，是否會影響中國燃料電池自主化的突圍？
葉思宇：我也是從國外回來的，從來不認(rèn)為對手只來自國內(nèi)。國際龍頭企業(yè)在周圍與你競爭是一件好事，這強(qiáng)迫你高質(zhì)量地要求自己。如果沒有壓力，就無法產(chǎn)出世界最先進(jìn)水平的產(chǎn)品。與其被動接受壓力，不如主動接受壓力。如果國際巨頭進(jìn)來，就有種“狼來了”的恐懼感，那就不用再從事這個事業(yè)了。
廣州日報：目前燃料電池汽車和純電汽車的技術(shù)路線仍然有紛爭。因?yàn)槌杀竞图夹g(shù)的原因，燃料電池汽車的推廣范圍依然有限，您如何看待燃料電池汽車的前景？
葉思宇：燃料電池和鋰電池并不是完全競爭的態(tài)勢，未來它們之間的集成或者混動會更有前景。目前據(jù)我所知，很多鋰電池公司也在布局燃料電池。我也不喜歡用“新能源汽車”的終極路線來定義燃料電池或者鋰電池，因?yàn)榧夹g(shù)永遠(yuǎn)在發(fā)展和演變的過程中，鋰電池未來的發(fā)展也受到很多人的推崇，比如說固態(tài)鋰電池就能極大提高鋰電的能量密度。
廣州日報：有人質(zhì)疑制氫過程中也會釋放碳，如何看待氫能產(chǎn)業(yè)對2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)的意義？
葉思宇：利用傳統(tǒng)化石能源制備氫氣確實(shí)會產(chǎn)生一些碳，但是有兩個方面要注意。一是傳統(tǒng)能源汽車隨地隨時產(chǎn)生二氧化碳，這些二氧化碳無法被收集利用。二是制作氫氣產(chǎn)生的二氧化碳是集中的，它們可以做到及時封存和利用。總體來說，碳排放還是減少的。
而利用可再生能源電解水制氫的方式不排放碳，未來隨著技術(shù)的發(fā)展，我們?nèi)绻梢愿嗍褂每稍偕茉窗l(fā)電，如此氫也可以通過零碳的方式來獲得。
廣州日報：在巴拉德工作期間，工程部的同事說您不像研發(fā)部門的人。您身為科研人員卻在產(chǎn)業(yè)化方面卻有極高的技術(shù)修為，這種能力是國內(nèi)科研人員需要學(xué)習(xí)的。能談?wù)勀男牡脝幔?/p>
葉思宇：工程部門往往對研發(fā)部門有些偏見，覺得研發(fā)部門的人紙上談兵，做的東西跟實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，所以他們說我不像研發(fā)部門的人。但我?guī)У膱F(tuán)隊(duì)集研發(fā)、工程、生產(chǎn)于一體，最終是把產(chǎn)品生產(chǎn)出來了。
如今大企業(yè)也在注重基礎(chǔ)研究，但小中企業(yè)的研發(fā)一定要以產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向。企業(yè)要從客戶及時了解產(chǎn)品的問題，并加以解決， 并應(yīng)用于設(shè)計下一代產(chǎn)品。其中需要分別哪些問題需要從現(xiàn)有的工程化過程中克服，哪些問題需要從更基礎(chǔ)的研究層面去解決。企業(yè)這樣做就能有針對性地與大學(xué)和研究所合作。如果放棄了這一點(diǎn)，下一代產(chǎn)品的研發(fā)根基都沒有了。
如此以來，在產(chǎn)學(xué)研合作過程中，企業(yè)會有三個益處，第一，很可能大學(xué)研發(fā)的材料能成為下一代產(chǎn)品材料的基石。第二，研究過程中所產(chǎn)生的方法可以直接拿來應(yīng)用，解決企業(yè)的問題。第三，合作可以培養(yǎng)企業(yè)所需的人才。
廣州日報：您所在企業(yè)也招了一批工程師和研究生，他們對工程問題的解決能力如何？
葉思宇：動手的能力，或者想解決產(chǎn)品問題的動力還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，這和導(dǎo)師的方向性和執(zhí)行性有關(guān)系。我有時候甚至給一些剛畢業(yè)的研究生說，暫時忘掉過去三年做了什么，就下到車間看看生產(chǎn)過程，看看到底有什么問題需要解決，如何解決？即使你想通了，也不要馬上就動手，可先討論一下，看看該怎么做，因?yàn)檫@有兩個問題，第一是發(fā)現(xiàn)的問題可能根本不是問題，別人已經(jīng)可能解決了。第二個是解決問題需要一個明確的思路，弄明白到底想改進(jìn)什么。
往往在針對工程問題的分析報告中，我會發(fā)現(xiàn)會有目的性不明確的現(xiàn)象。我常會“強(qiáng)迫”他們寫出實(shí)施的方法是對應(yīng)哪個問題。如果用寫科研論文的分析方法，來解決一個實(shí)際的問題，可能不是很恰當(dāng)。
廣州日報：您選擇回到中國開始新的事業(yè)，您對未來的暢想和希望是什么？
葉思宇：氫燃料電池汽車不等于氫燃料電池，氫燃料電池也不等于氫經(jīng)濟(jì)氫產(chǎn)業(yè)。 氫實(shí)際應(yīng)用的場景遠(yuǎn)超過燃料電池這個領(lǐng)域。只不過燃料電池汽車的可觀性和展示性都很好，大家都喜歡從此入手。但氫能燃料電池在氫能利用中有不可替代的作用。
我希望未來氫能在國民經(jīng)濟(jì)中涵蓋更大的范圍，和其他綠色能源一起構(gòu)筑中國綠色低碳的能源體系。
廣州日報：來到廣州工作也有3年之久，覺得這里的科創(chuàng)氛圍和人才政策如何？
葉思宇：首先，這里把外國院士與中國院士同等對待，我非常自豪。我們可以有幸聆聽政府的發(fā)展計劃研討會等各種活動，這帶來一種“被重視”的感受。
此外，廣東省、廣州市在制定新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策會非常及時地征求我們的意見。我是廣東省新能源汽車燃料電池專家組的組長，參與審閱了一批關(guān)于產(chǎn)業(yè)政策的白皮書等文件。省、市科技部門在制定科研發(fā)計劃時，也會極大地尊重并接受我們的意見。
文：廣州日報·新花城記者 黃蓉芳、龍錕
圖：廣州日報·新花城記者 邱偉榮、王維宣
視頻：廣州日報·新花城記者 邱偉榮、龍錕
廣州日報·新花城編輯 李鳳荷
