智見丨衣寶廉院士：燃料電池車是氫能應用的突破口
出品｜本站科技《智見訪談》
作者｜趙芙瑤
編輯｜丁廣勝
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伴隨着全球氣候變暖、燃料價格上漲以及環境污染日益嚴重的現狀，人類對更清潔、更安全、更高效能源的需求與日俱增。面對這一迫切的需求，燃料電池作爲一種具有巨大發展前景的新能源備受矚目。
燃料電池憑藉其清潔、高效的特點，正成爲能源領域的明日之星。它不僅可以提供清潔的能源供應，減少環境污染和溫室氣體排放，還具備更高的能源利用效率。隨着技術的不斷創新和成本的逐漸降低，燃料電池有望爲人類提供可持續發展的能源解決方案，助力能源結構的轉型與升級。
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而氫能作爲燃料電池的燃料，是一種來源豐富、環保低碳、廣泛應用的次生能源，在構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系以及實現碳達峰和碳中和目標方面扮演着重要的角色。
2022年，國家發展改革委、國家能源局聯合印發的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中提出了氫能產業發展各階段目標：到2025年，基本掌握核心技術和製造工藝，燃料電池車輛保有量約5萬輛，足以見得國家對於氫能與燃料電池產業的重視程度。
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那麼燃料電池發展現狀如何？面對氫氣運輸的高成本以及加氫站的缺乏問題，我們應該採取何種對策？與發達國家相比，我們在技術方面應該如何奮起直追？
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本站科技《智見》專訪本次通過世界新能源汽車大會科技委員會秘書處邀請到了燃料電池專家，中國工程院院士衣寶廉。數年前，一次偶然的機會，陪同所書記到北京開會並接下航天燃料電池任務，從此與燃料電池結緣。在燃料電池領域深耕多年的他，如何看待上述問題呢？以下爲採訪實錄。
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本站科技：您五十多年來一直專注燃料電池研究，您認爲氫燃料電池汽車及氫能產業應用的價值到底何在？
衣寶廉：要實現雙碳目標，必須大力發展可再生能源，實現能源轉型，由於可再生能源的波動性和季節性，爲實現可再生能源安全上網，必須大力發展儲能。
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氫儲能，即用可再生能源電解水制氫，不但可以實現可在生能源儲存，還可以實現可再生能源的再分配，也可以消除發展可再生能源的天花板，實現氫—電體系的能源供應，確保國家的能源安全。
燃料電池車是氫能應用的突破口，理論上，可以用氫能代替燃油，驅動各種交通工具如各種車輛。大幅度減少石油進口，不但能實現交通領域碳減排，還可以提高國家能源安全性。
本站科技：氫氧燃料電池與普通電池有何區別？中國發展燃料電池汽車的既有優勢在哪裡？您認爲短板又主要體現在哪些方面？
衣寶廉：燃料電池和二次電池如鋰離子電池均是依據電化學原理將化學能轉化爲電能。但它們的工作方式不同，燃料電池是按內燃機方式工作的即它要發電一定要組建一個系統：燃料氫供給，氧（空氣）供給，氫氧反應產物水的排除，電堆熱管理和電管理等分系統。
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在十五科技部就成立電動汽車專家組，萬剛任組長，並設立電動汽車專項。專家組提出三從三橫的電動汽車發展戰略：三從：鋰離子電池車，混合動力車和燃料電池車。三橫：電池與燃料電池，電機與推進系統，電控系統。在鋰離子電池車產業化後，又提出燃料電池車的成市羣示範計劃，已批准二批，五個城市羣，以獎勵代替補貼的促進燃料電池車的發展。
氫燃料電池的優勢包括以下幾點。第一，電池系統比能量高達到每公斤0.5-1.0kw-hr/kg，是鋰離子電池的幾倍。因此燃料電池車特別適於長途車和重載車，不存在里程焦慮。第二，燃料電池系統的氫罐和電堆是分開的，一旦電堆出現事故如膜串氣，巡檢電池電壓迅速下降，供氫氣迴路的電磁閥關閉，電堆不會產生燃燒和爆炸。目前，全世界有近七萬輛燃料電池車在運行，我國有一萬二千多輛在運行，無一輛車發生燃燒與爆炸事故。第三，在嚴寒地區，燃料電池車行駛里程不縮短，燃料電池產生餘熱還可爲車供暖，優勢突出。第四，燃料電池車的續駛里程，加氫時間，駕駛的舒適性均可與燃油車相媲美。由油換氫做燃料對司機沒有影響。
當然，燃料電池車也存在明顯短板，比如燃料電池發動機目前成本高，導致燃料電池車成本是燃油車的2—3倍，鋰離子電池車的1.5—2.0倍。另外，一座加氫站建設費1500萬左右，是充電站幾倍。在我看來，加氫站加氫要不補貼，每公斤氫60左右，只有降到30—20元，才能與燃油車競爭。
本站科技：有人認爲氫燃料電池汽車未來更多替代柴油車，而純電動汽車更多代替汽油車，這種觀點您認可嗎？未來純電動汽車和氫燃料電池汽車多大意義上存在競爭關係？
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衣寶廉：由於鋰離子電池車目前還存在里程焦慮。冬季特別是風雪天氣，溫度降到零下幾十度，電池容量下降，行駛里程縮短。偶爾還有燃燒爆炸事故發生。我認爲隨着燃料電池車技術的進步，燃料電池車可以進入乘用車領域，特比是在北方冬天優勢更突出，如這次北京冬奧會用車，均以燃料電池車爲主。在南方燃料電池車在城際間運行有優勢。總的看這二種車互補大於競爭。
本站科技：氫燃料電池汽車能否替代傳統燃油汽車以及純電汽車成爲新能源汽車的主力軍？您認爲它未來的發展趨勢如何？
衣寶廉：將來隨着技術進步，各種動力的車是互補的，適用的檢測標準是碳排放量和環境適應性，不存在誰替代誰的問題。如燃油車要使用的燃油是由回收二氧化碳與綠氫製備，也有優勢，特別是軍車。
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本站科技：氫能的儲運目前面臨着較大的技術難題，成本也相對較高，您認爲在氫的儲運方面，未來需要在哪些方面加強技術攻關？
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衣寶廉：氫的儲運在國內要發展純氫管道輸氫，它特別適用於海上風電制氫，將純氫輸送至陸地儲存。也適合用綠氫製備綠氨、甲醇，合成油等工廠。對短距離百公里以內採用列管車輸送。但要依據技術進步逐步提高容器的壓力，提高輸送效率和降低運費。
長距離輸送最優是天氣管網參氫，國際規定氫濃度是20%，我國以達到24%，在用氫的地方，採用膜分離提取純氫。
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還可以將氫液化，運輸液氫。但氫液化能耗高。海上輸送以液氫，氨，液體儲氫如甲苯加氫爲甲基環己烷，液體裝船，在用地，再將甲基環己烷變爲純氫和甲苯。
本站科技：在燃料電池技術和研發上，我國與日本等國還存在較大差距，這種差距的核心問題是什麼？該如何解決，促進氫燃料電池汽車規模化落地？
衣寶廉：燃料電池發現至今已一個多世紀。我國是依據國家需求即燃料電池比能量高，特別適用於航天飛船上動力源，開始搞燃料電池研究的。整體工作是以電堆爲核心，依據需求構建燃料電池發電系統。因此在材料和機理研究起步晚。
總的看來，與日本相比，我們在燃料電池堆方面，比功率與可靠性稍低，在系統方面，我們在低溫啓動，餘熱利用，高溫排熱等有優勢。但在關鍵部件如空壓機，氫氣壓縮機，氫氣循環泵等有差距。
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我們在示範同時，要強調加強基礎研究，消除深層次的卡脖子技術如製備高壓氫氣四型瓶的朔料內膽樹脂，高強碳纖維，瓶口組合閥等。電池用的低氫滲透率，高強度和高電導的增強複合膜等。
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燃料電池發動機降低成本依靠二方面技術突破：一是實現批量生產，但目前地方政府的財政難於支持大量購買燃料電池車！國家應該擴展示範城市羣，推動燃料電池關鍵材料與部件量產！二是技術進步，主要是提高電堆的比功率和提高並延長燃料電池發動機可靠性與壽命！
現在燃料電池堆的工作電流密度是二安培左右吧，力爭逐步提高到四安培，爲此要改進流場，提高電池工作溫度，減薄擴散層，利用薄的增強複合膜，降低催化層氧傳質阻力，提高鉑的利用率。還可以進一步將電流密度提高到五安培以上，將電堆售價降到五百元以下。
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本站科技：在2022年3月23日，國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》，明確了氫能的三大「戰略定位」。北上廣等超過20個城市制定了氫能產業發展規劃，都在試圖搶佔氫能產業發展的制高點，您如何看待各地發展氫能的熱情？
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衣寶廉：大量城市制定氫能發展規劃反應他們在實現雙碳目標上緊跟中央，並有想法。但要注意目前生產綠氫，成本還是高的，產品銷售是否能跟上。比如燃料電池車，都在搞，用大量正府補貼推動發展，能否持久。
我建議國家擴大示範城市羣，爲燃料電池部件和材料批量生產提供市場。關鍵材料與部件在各城市羣有個分工，攻克深層次卡脖子材料。
本站科技：從可持續發展的角度看，您對當前的燃料電池汽車示範推廣有何建議？
衣寶廉：一是抓示範城市羣，並適當擴大，推動關鍵材料與部件批量生產。
二是加強基礎研究，進一步提高電堆比功率和燃料電池發動機比能量。加強基礎材料研究，攻克深層次卡脖子問題。發展高溫膜，將氫燃料電池工作溫度提高到一百以上，消除二相流，提高電堆內單池一致性。研發高儲氫容量的儲氫材料，代替高壓儲氫瓶，進一步提高燃料電池車的安全性。
本站科技：目前國內汽車行業，從商用車企業到乘用車企業都在積極開發氫燃料電池汽車，在這方面汽車企業怎麼才能做得更好？
衣寶廉：可以介入，但要生產整車與技術研發並舉，逐步提高車的水平。最好能與研究所或高校合作。
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本站科技：起初，燃料電池的研發之路並不順暢，期間（1978年）曾受國家重大項目的調整而被迫中斷，直到再次恢復研發，您是否想過放棄？是什麼（動力）讓您數十年如一日，堅持這項研究的？
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衣寶廉：當時，採用燃料電池做爲飛船上電力的美國阿波羅飛船已登月，採用燃料電池作爲輔助動力的德國AIP潛艇已試航成功，在水下可以潛航半個月。
我們任務已做成千瓦級鹼性石棉膜型燃料電池系統並通過一千小時無人穩定運行，做完航天環境模擬實驗。我當時認爲燃料電池是新技術對國家有用，我們應保留少量人員做下去。
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總之，我認爲燃料電池已有較好基礎，對國家有用，應該堅持下去。
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本站科技：您覺得作爲一名科研人員，應該具備怎樣的品質與精神？
衣寶廉：依據國家需要和自己基礎選摘任務，遇到困難不退縮，堅持下去，直至成功。
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