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葉思宇院士介紹氫燃料電池的核心部件膜電極
當事業(yè)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(zhàn)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(huán)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(yè)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(fā)展初期，各個環(huán)節(jié)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(fā)和產業(yè)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(yè)剛剛起步，他隨時準備迎接更多挑戰(zhàn)。
立志：研發(fā)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(yè)。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(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(yè)界得到了廣泛應用，這當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。”葉思宇說，貝克導師不斷向他灌輸產業(yè)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(fā)表文章。”
1991年，葉思宇再赴加拿大魁北克大學繼續(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(fā)和研制業(yè)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(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品，為世人所使用。”他說。
攻堅：技術突破奠定燃料汽車產業(yè)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(fā)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(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。這些關于燃料電池電堆冷啟動和耐久性技術的發(fā)明，從根本上推動了整個燃料電池產業(yè)的商業(yè)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(fā)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(fā)，使巴拉德公司成為世界上極少數幾個能大規(guī)模工業(yè)化生產膜電極的先進企業(yè)。
“當時我加入巴拉德的愿望實現了，我們研發(fā)的產品組裝進入了小轎車、大巴、叉車和發(fā)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(yè)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(zhàn)略也是碳中和目標實現的重要組成部分。如今氫能產業(yè)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(fā)生產的企業(yè)并不多，電極主流市場目前也被巴拉德、莊信萬豐、戈爾等外企掌控。國家非常渴求葉思宇這樣具有實際產業(yè)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(yè)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(zhàn)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(fā)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(chuàng)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(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。
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業(yè)鏈配套的能力。其次廣州的科教資源豐富，能夠保證產業(yè)所需的工程技術人員。最后，廣東省、廣州市和黃埔區(qū)/廣州開發(fā)區(qū)政府對氫能產業(yè)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(yè)化項目在鴻基創(chuàng)能正式竣工，這打破了中國燃料電池膜電極依賴進口的局面，填補目前國內在相關產業(yè)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(chuàng)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(chuàng)能的產線日夜不停地運作，以應對不斷涌來的訂單。
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(fā)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(yè)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(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(fā)。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(yè)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(yè)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(tài)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(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：有人質疑制氫過程中也會釋放碳，如何看待氫能產業(yè)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(fā)展，我們如果可以更多使用可再生能源發(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業(yè)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(fā)部門有些偏見，覺得研發(fā)部門的人紙上談兵，做的東西跟實際應用脫節(jié)，所以他們說我不像研發(fā)部門的人。但我?guī)У膱F隊集研發(fā)、工程、生產于一體，最終是把產品生產出來了。
如今大企業(yè)也在注重基礎研究，但小中企業(yè)的研發(fā)一定要以產品和產業(yè)化導向。企業(yè)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(yè)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(fā)根基都沒有了。
如此以來，在產學研合作過程中，企業(yè)會有三個益處，第一，很可能大學研發(fā)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(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，或者想解決產品問題的動力還需要進一步加強，這和導師的方向性和執(zhí)行性有關系。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(fā)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(fā)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(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濟氫產業(yè)。 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(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產業(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，參與審閱了一批關于產業(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
