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葉思宇:攻堅燃料電池核心技術(shù)自主化

2021-05-31 14:01
中國信息化 2021年5期
關(guān)鍵詞:自主化電極燃料電池

葉思宇博士是加拿大國家工程院院士,在電化學尤其是燃料電池領(lǐng)域具有30余年研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗。是國際公認的燃料電池電催化和膜電極首屈一指的領(lǐng)軍人物,為現(xiàn)代燃料電池的發(fā)展做出了杰出貢獻。1982年在廈門大學化學系獲得學士學位后,師從田昭武院士和錢人元院士;1988年在廈門大學獲得電化學專業(yè)博士學位;2000年受邀加入加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司任高級研究員;2002年被破格提拔為首席科學家。

從出國求學到一步步成為行業(yè)全球頂級專家之一,葉思宇用30年給自己的事業(yè)交上了一份完美的答卷。而他也從當年滿頭青絲的小伙子變成了雙鬢間有華發(fā)的花甲“老人”。

2018年,葉思宇榮膺加拿大國家工程院院士。就在這功成名就的時刻,他卻出做出一個令人意外的選擇——從全球最頂尖的燃料電池研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)巴拉德退休后,只身回國搞創(chuàng)業(yè)。葉思宇院士的這個舉動,令人動容,也在當年的國內(nèi)氫燃料電池行業(yè)投資圈引起一定關(guān)注度。記者對葉思宇院士進行了深入采訪,最后整理成文字。

1978年,葉思宇考入廈門大學化學系,在大四進行細分方向選擇時,他做出了一個出人意料的決定——選擇當時屬于典型“偏門”的電化學。

葉思宇回憶,當時選擇電化學一是因為個人不太喜歡純化學,更喜歡與物理、化學都有關(guān)聯(lián)的學科。而電化學的其中一個主要特征,就是用物理理論和研究手段來研究化學問題,這正對他的胃口。

另一個重要原因則是,葉思宇一直渴求得到名師指導,而當時廈門大學比較優(yōu)秀的老師基本集中在物理化學領(lǐng)域,比如田昭武院士。不出所料,優(yōu)秀的葉思宇最終如愿拜得田昭武院士為師。

而田昭武這位化學界的突出貢獻者,也確實對葉思宇此后的人生都產(chǎn)生了重大影響。

1988年,博士生畢業(yè)的葉思宇再次面臨專業(yè)方向上的抉擇。在化學各領(lǐng)域都已培養(yǎng)了優(yōu)秀后繼人才的田昭武院士對葉思宇提了一個建議:嘗試開拓我國化學研究相對薄弱的領(lǐng)域——有機電化學。

在明師指引下,葉思宇當即趕赴德國杜伊斯堡大學求學,在德國完成第一個博士研究后,再趕赴加拿大魁北克大學繼續(xù)博士后深造。

這段海外求學的經(jīng)歷讓葉思宇獲益匪淺,最重要的是導師們學以致用的科研理念讓他深有感觸。

據(jù)葉思宇回憶,在德國留學期間,他和同事們曾被邀請去福特公司參觀。參觀過程中,福特公司的總工程師突然發(fā)問,“知不知道我們現(xiàn)在正在用的汽車噴涂油漆配方是哪里來的?”葉思宇一行一頭霧水。

其后,他們被告知,這正是他們導師的研發(fā)成果。葉思宇這才了解到,自己的導師有很多發(fā)明,且都真正在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。

“將科研成果產(chǎn)業(yè)化”這一理念就此刻入葉思宇的骨髓。

此時,原本一直應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的氫燃料電池進入一個新的研究階段,陸續(xù)有團隊開始嘗試將氫燃料電池的應(yīng)用拓展到其它領(lǐng)域。

1999年的一天,知名燃料電池制造商巴拉德的副總裁到魁北克水電公司研究院參觀,當時正在魁北克水電公司研究院工作的葉思宇與這位燃料電池專家進行了初次交流。

經(jīng)過短暫的交流,葉思宇的才華就讓巴拉德副總裁起了愛才之心,臨走時對其鄭重表示,“希望你能加入巴拉德”。

葉思宇只當這是一句玩笑話,當時的他完全無法想象幾年后的自己將與“巴拉德公司首席科學家”“氫燃料電池電催化和膜電極領(lǐng)軍人物”等頭銜有關(guān)聯(lián)。

海外追夢:奠定氫燃料電池汽車應(yīng)用基礎(chǔ)

如果說巴拉德是第一家將燃料電池從天上帶到地上的公司,那葉思宇就是巴拉德實現(xiàn)這一過程的重要參與者。

此前,氫燃料電池主要被應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,巴拉德要想拓展氫燃料電池的應(yīng)用范圍,必須要先讓氫燃料電池具備應(yīng)用到新領(lǐng)域的性能。

2000年左右,經(jīng)過大量的前期研究,巴拉德確定氫燃料電池在汽車領(lǐng)域具備極大的應(yīng)用潛力,接下來要解決的便是進一步改善氫燃料電池性能,開發(fā)出符合汽車領(lǐng)域應(yīng)用要求的氫燃料電池。

也正是在這一年,葉思宇受邀正式加入巴拉德這一全球最頂尖的燃料電池研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)。

葉思宇負責的第一個項目,就是解決氫燃料電池車的冷啟動問題。因為低溫環(huán)境中水結(jié)冰,這會造成管道堵塞,導致氫氣無法正常傳輸,電池也就無法正常轉(zhuǎn)化電能;另一方面,低溫環(huán)境下的電堆發(fā)電不均衡,可能導致燃料電池的腐蝕、損壞等問題。

“如果冷啟動問題不解決,氫燃料電池在汽車領(lǐng)域的全面應(yīng)用也就無從說起?!比~思宇對巴拉德當時面臨的最大挑戰(zhàn)心知肚明。

臨危受命,葉思宇很快與團隊一起研發(fā)出了抗反極催化劑,解決了冷啟動問題。如此,巴拉德的氫燃料電池就具備了應(yīng)用于汽車的基本性能,這也意味著完成了從實驗樣品到真正工業(yè)化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。

因為這一突出貢獻,剛加入巴拉德短短2年的葉思宇被破格提升為公司首席科學家。自此,葉思宇被公認為整個行業(yè)內(nèi)該級別少有的華裔頂尖專家之一。

但葉思宇沒有止步,他立馬就投入到關(guān)于氫燃料電池的下一個挑戰(zhàn)中。在解決冷啟動問題之后,葉思宇還開發(fā)了抗碳腐蝕的陰極催化劑層,以延長燃料電池的壽命。

葉思宇發(fā)現(xiàn),在氫燃料電池早期的設(shè)計中,需要將催化劑涂在擴散層上面。而這樣做不僅技術(shù)門檻低,且因為降低成本要求鉑金載量進一步下降,薄催化劑層就會存在不均勻、產(chǎn)品一致性大幅下降的問題。

為降低鉑金載量進而降低成本,有企業(yè)開始試圖將催化劑涂到質(zhì)子交換膜上,這就是后來成熟的燃料電池膜電極設(shè)計,這樣的膜電極設(shè)計也被葉思宇選定為主要研發(fā)方向。

沿著這一思路,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(lǐng)導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)膜電極的先進企業(yè)。

回首這些研究的攻關(guān)過程,葉思宇深有感觸:“基礎(chǔ)研究靠的是理科思維的科學家,產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化驗證則要靠理科思維的科學家與工科思維的工程師的緊密合作,而產(chǎn)業(yè)化的驗證過程是非常困難的?!?/p>

而為了讓科研成果盡快落地,接通科學家和工程師兩條高速公路間的“最后一公里”,葉思宇這位首席科學家也同時活成了工程師?!肮こ滩康娜丝傉f,葉思宇是最不像做研發(fā)的人。”

無論是催化劑的研發(fā),還是膜電極的不斷改進,葉思宇的研究工作不僅幫助巴拉德在氫燃料電池領(lǐng)域一直保持著領(lǐng)先地位。另一方面,這些突破對于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都是至關(guān)重要。

2018年,葉思宇榮膺加拿大國家工程院院士。而就在旁人看來功成名就的時刻,葉思宇再次出做出一個令人意外的選擇——申請退休,只身回國,一切從頭再來。

退休歸國:推動國產(chǎn)膜電極自主化

2017年前后,就在葉思宇在海外為氫燃料電池產(chǎn)業(yè)不斷揮灑汗水的同時,他的故鄉(xiāng)也迎來了氫燃料電池發(fā)展的歷史機遇。這個歷史機遇不僅被商業(yè)嗅覺靈敏的資本界看到,也被一直心系實業(yè)發(fā)展的企業(yè)家們一把抓住。

2018年,在海外闖蕩30年并打下一片天地的葉思宇毅然回國。他內(nèi)心還有一個迫切想實現(xiàn)的夢想——膜電極自主化。這個夢想也是他已合作多年的創(chuàng)業(yè)團隊成員們的追求。

眾所周知,膜電極由質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層構(gòu)成。雖是集成,但膜電極由超過12種不同的核心材料組成,其產(chǎn)業(yè)化的難點之一就是核心材料的篩選,其次是制成工藝連續(xù)化以及工程驗證。

膜電極作為質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學反應(yīng)的場所,是燃料電池技術(shù)的核心環(huán)節(jié),其成本占燃料電池電堆總成本60%以上。

告別共事20年的同事,葉思宇帶著復(fù)雜的心情回到闊已久的廈門大學,這里有當初為他指明人生方向的恩師,也有同樣成就顯然的師兄弟。

看到自己的愛徒榮歸故里且準備報效祖國,年邁的田昭武院士很是欣慰。而來自恩師的認可也成為葉思宇繼續(xù)奮斗的動力。

加入鴻基創(chuàng)能這個創(chuàng)業(yè)團隊后,葉思宇立馬全身心投入國內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的新技術(shù)研發(fā)中,特別是膜電極這一核心材料。

關(guān)于膜電極,葉思宇一直稱之為氫燃料電池的“芯片”。他表示,一方面膜電極的技術(shù)門檻較高;另一方面,膜電極在整個燃料電池系統(tǒng)中所占的成本比例高。如果該領(lǐng)域沒有實現(xiàn)自主掌握而長期依賴進口,國內(nèi)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)不僅成本上有壓力,在產(chǎn)品迭代、技術(shù)升級上也會越來越落后,整個產(chǎn)業(yè)必將受制于人。

據(jù)葉思宇介紹,自回國后,他便帶領(lǐng)團隊開始了新一代膜電極產(chǎn)品的研發(fā),以期在保持性能和適當提高電池壽命的前提下,進一步降低成本。新一代膜電極產(chǎn)品鉑金載量將進一步下降,之后還會有更新一代的產(chǎn)品被繼續(xù)研發(fā)出來。

“目前來看,中國的氫燃料電池膜電極在產(chǎn)能和質(zhì)量上都已達到國際先進水平?!比~思宇對膜電極自主化這一使命執(zhí)行得堅決又徹底。

在2019年“兩會”上,國家總理李克強將發(fā)展氫燃料電池寫入政府工作報告。2020年9月21日,國家五部委發(fā)布了“以獎代補”的政策,極大地增強了我國氫燃料電池行業(yè)無數(shù)奮斗者的信心。

對此,身處初創(chuàng)團隊的葉思宇也有所感慨?!皻淙剂想姵刈鳛橐环N清潔能源,其發(fā)展前景不可估量,但這是一個大產(chǎn)業(yè),像中國這樣的大政府才能更好地推動?!?/p>

最后,心系膜電極自主化的他再次坦言:“希望國家能夠大力支持這個方向,引導資本對氫燃料電池更加敏感,再通過市場來助推行業(yè)迅速發(fā)展。一個新興的高科技產(chǎn)品要想真正實現(xiàn)自主化,在初期肯定離不開國家的支持?!?/p>

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