廣州院士逐個訪|葉思宇：為燃料電池注入"中國芯"
2021-04-25 22:02:47
葉思宇院士介紹氫燃料電池的核心部件膜電極
當事業處在巔峰之時，放下海外的功名和安逸，回到國內重新開始……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，但他的回應總是非常簡單："我只是想做點事。"在溫和的語言背后，他用行動展現著應對技術挑戰的強大自信，還有助力國家能源結構調整的滿腔熱情。
中國已提出實現2030年碳達峰、2060年碳中和的國際承諾，調整目前以化石能源為主的能源結構勢在必行。氫能來源多樣，能實現終端零排放、環境友好，且質量能源密度更遠超化石能源。所以氫能技術因此是減碳的關鍵，更成為新一輪科技革命和產業變革的競爭前沿。
氫能的擴大應用離不開燃料電池技術的提升。但中國的燃料電池處于發展初期，各個環節工藝不成熟，與國外先進水平有著一定的差距。作為國際公認燃料電池電催化和膜電極的領軍人物，葉思宇院士在電化學尤其是燃料電池方面具有30余年研發和產業化經驗。他的歸國有助于改變現狀，還增加了"并跑和趕超"的可能性。在他帶領下，被稱為燃料電池"芯片"的膜電極已經實現"高質低本"的自主化生產，產品已經進入世界先進水平之列。
葉思宇院士
"我們常說超越世界先進水平，但可能是超越世界今天的先進水平。但別人也在進步，我們還要不停地奔跑。"葉思宇審慎地說道。新的事業剛剛起步，他隨時準備迎接更多挑戰。
立志：研發成果要為世人所用
1988年，學習電化學的博士生葉思宇從廈門大學畢業。此后他赴德國杜伊斯堡大學求學，在德國完成第一個博士后研究。
"以前我的終極目標可能是當名科學家或者教授，但德國的導師給了我另一種影響。"葉思宇回憶，在德國留學期間，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）導師。不僅如此，導師關于化工和材料的研究，都在工業界得到了廣泛應用，這當時讓一眾人好生佩服。
"你發幾篇論文，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。"葉思宇說，貝克導師不斷向他灌輸產業化導向研究的重要性，自己第一個專利也是在其指導下完成。"當時我個人都沒想到申請專利。后來我就先申請專利，申請下來后再發表文章。"
1991年，葉思宇再赴加拿大魁北克大學繼續博士后深造。博士后出站后，他在魁北克水電公司研究院擔任高級研究員。
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年就開始從事質子交換膜燃料電池開發和研制業務 ，目前已是世界上最重要的燃料電池生產商 ，擁有世界一流的先進技術。
在力邀之下，葉思宇2000年加入了巴拉德，當時他已經40歲。魁北克水電公司研究院是一家政府所有的公共機構，工作穩定。即便葉思宇離開后，研究院還給了他停薪留職。但葉思宇堅持了自己的選擇。"我不愿意純粹發完論文就了事，更希望自己的研發有一天變成真正的產品，為世人所使用。"他說。
攻堅：技術突破奠定燃料汽車產業化基礎
上世紀60及70年代，氫燃料電池應用在載人登月的"阿波羅"飛船上。科學家們在努力將氫燃料電池的使用從航天領域擴展到更大范圍。巴拉德則希望進一步改善氫燃料電池性能，以符合汽車領域的應用要求。葉思宇承擔起燃料電池研發的任務。
對于氫能源的使用，燃料電池非常重要
葉思宇與團隊研發出抗反極催化劑，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家。此后他還開發了抗碳腐蝕的陰極催化劑層，以延長燃料電池的壽命。這些關于燃料電池電堆冷啟動和耐久性技術的發明，從根本上推動了整個燃料電池產業的商業化進程。
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換裝置，注入的氫氣通過電化學反應產生電流。
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，膜電極主要由質子交換膜，催化層以及氣體擴散層組成。在質子交換膜一側的陽極上，氫氣被鉑催化劑分解為電子和質子；質子可以穿過質子交換膜，與空氣中的氧和陽極放出并經外電路傳導的電子在陰極生成水排出，產生電流。,
而葉思宇帶隊開發出世界最高水平的燃料電池催化劑，直接領導了燃料電池核心組件膜電極的生產工藝過程開發，使巴拉德公司成為世界上極少數幾個能大規模工業化生產膜電極的先進企業。
"當時我加入巴拉德的愿望實現了，我們研發的產品組裝進入了小轎車、大巴、叉車和發電設備，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年當選為加拿大工程院院士
因為在氫燃料電池產業化方面的卓越貢獻，葉思宇2018年當選為加拿大工程院院士。
歸國：為膜電極自主化生產邁出第一步
2019年，氫能源首次寫入國務院政府工作報告，氫能戰略也是碳中和目標實現的重要組成部分。如今氫能產業布局成了很多地方政府的工作重點。
雖然目前制氫、運氫、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生產的企業并不多，電極主流市場目前也被巴拉德、莊信萬豐、戈爾等外企掌控。國家非常渴求葉思宇這樣具有實際產業化經驗的人才。
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。他堅信，中國氫能事業有著更大的機遇，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也是他們團隊共同的目標。
常人難以理解這樣的決定，有人曾經問："是不是想把巴拉德那套方案搬到中國，然后生產出來？"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現廣泛應用，但電池的性能和壽命卻在成本降低之下不斷升級。技術的挑戰會不斷涌現，這要依靠材料和設計的不斷革新。
"即便在加入巴拉德之初，我們也研發出和前任完全不一樣的產品，因為知其然、知其所以然，我們不需要去照抄別人的東西，也能達到更好。"葉思宇說。
2018年11月，葉思宇加入鴻基創能科技（廣州）有限公司，擔任副董事長兼首席技術官，此時他已58歲。而鴻基創能是一家成立于2017年12月的初創企業，致力于燃料電池膜電極的研發生產。
鴻基創能是2017年末在廣州成立的初創公司
談起選擇廣州的原因，葉思宇表示，首先廣州所處的大灣區有支持氫燃料電池產業鏈配套的能力。其次廣州的科教資源豐富，能夠保證產業所需的工程技術人員。最后，廣東省、廣州市和黃埔區/廣州開發區政府對氫能產業有很高的認知度，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業化項目在鴻基創能正式竣工，這打破了中國燃料電池膜電極依賴進口的局面，填補目前國內在相關產業上的空白。如今該項目的滿產年產能達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3萬臺車的裝機需求。
膜電極的成本約占到整車成本的1/6，而目前國產化所實現的進口替代可促成20%到30%的成本下降。使用鴻基創能膜電極的燃料電池比國外進口產品的性能提升了35%，成本下降了30%， 千瓦成本下降了50%, 極大地推動了國產燃料電池電堆的成本下降。當前鴻基創能的產線日夜不停地運作，以應對不斷涌來的訂單。
黃埔區的氫燃料電池泥頭車
"如今已有十款使用鴻基創能膜電極的車輛進入工信部的目錄，正處在測試驗證階段。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的思考，他正帶領團隊開發第三代和第四代的產品，以期實現功率密度的逐步提升和耗氫量的逐步下降。他們在和國內與催化劑、質子交換膜、碳紙等關鍵材料的廠商展開密切合作，努力實現膜電極的全產業鏈自主化。
"我不認為我們已經比世界最先進水平更先進，達到世界先進水平和自主可控都是我們的努力目標。但我們在進步，他們也在進步。最后的結果無法預知，但我們要行動起來。"葉思宇堅定地說。他相信，為中國燃料電池"注芯"的事業"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際問題
葉思宇院士接受廣州日報記者采訪
廣州日報：像現代汽車、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研發。如此多的國際巨頭進入中國市場，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，從來不認為對手只來自國內。國際龍頭企業在周圍與你競爭是一件好事，這強迫你高質量地要求自己。如果沒有壓力，就無法產出世界最先進水平的產品。與其被動接受壓力，不如主動接受壓力。如果國際巨頭進來，就有種"狼來了"的恐懼感，那就不用再從事這個事業了。
廣州日報：目前燃料電池汽車和純電汽車的技術路線仍然有紛爭。因為成本和技術的原因，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勢，未來它們之間的集成或者混動會更有前景。目前據我所知，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，因為技術永遠在發展和演變的過程中，鋰電池未來的發展也受到很多人的推崇，比如說固態鋰電池就能極大提高鋰電的能量密度。
廣州日報：有人質疑制氫過程中也會釋放碳，如何看待氫能產業對2030年碳達峰、2060年碳中和目標的意義？
葉思宇：利用傳統化石能源制備氫氣確實會產生一些碳，但是有兩個方面要注意。一是傳統能源汽車隨地隨時產生二氧化碳，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，未來隨著技術的發展，我們如果可以更多使用可再生能源發電，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部門的人。您身為科研人員卻在產業化方面卻有極高的技術修為，這種能力是國內科研人員需要學習的。能談談您的心得嗎？
葉思宇：工程部門往往對研發部門有些偏見，覺得研發部門的人紙上談兵，做的東西跟實際應用脫節，所以他們說我不像研發部門的人。但我帶的團隊集研發、工程、生產于一體，最終是把產品生產出來了。
如今大企業也在注重基礎研究，但小中企業的研發一定要以產品和產業化導向。企業要從客戶及時了解產品的問題，并加以解決， 并應用于設計下一代產品。其中需要分別哪些問題需要從現有的工程化過程中克服，哪些問題需要從更基礎的研究層面去解決。企業這樣做就能有針對性地與大學和研究所合作。如果放棄了這一點，下一代產品的研發根基都沒有了。
如此以來，在產學研合作過程中，企業會有三個益處，第一，很可能大學研發的材料能成為下一代產品材料的基石。第二，研究過程中所產生的方法可以直接拿來應用，解決企業的問題。第三，合作可以培養企業所需的人才。
廣州日報：您所在企業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，或者想解決產品問題的動力還需要進一步加強，這和導師的方向性和執行性有關系。我有時候甚至給一些剛畢業的研究生說，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，因為這有兩個問題，第一是發現的問題可能根本不是問題，別人已經可能解決了。第二個是解決問題需要一個明確的思路，弄明白到底想改進什么。
往往在針對工程問題的分析報告中，我會發現會有目的性不明確的現象。我常會"強迫"他們寫出實施的方法是對應哪個問題。如果用寫科研論文的分析方法，來解決一個實際的問題，可能不是很恰當。
廣州日報：您選擇回到中國開始新的事業，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濟氫產業。 氫實際應用的場景遠超過燃料電池這個領域。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濟中涵蓋更大的范圍，和其他綠色能源一起構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產業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，參與審閱了一批關于產業政策的白皮書等文件。省、市科技部門在制定科研發計劃時，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
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