衣寶廉院士直面氫燃料電池汽車產業熱點難點

編前：近來，氫燃料電池汽車推廣應用及氫能產業發展正迎來新一波高潮，從國家到地方，從政策舉措到推廣應用實踐，氫燃料電池汽車行業已進入新“風口”。

衣寶廉院士是我國燃料電池研究、應用及產業化的主要奠基人之一，他不僅奠定了中國質子交換膜燃料電池車用動力系統走向應用的基石，也一直在努力推動國內氫燃料電池汽車產業的發展。8月22日，《中國汽車報》社總編輯桂俊鬆與衣寶廉院士圍繞我國氫能應用與氫燃料電池汽車產業發展的熱點、痛點，進行了一場深度交流。

訪談嘉賓：中國工程院院士、全國燃料電池與液流電池標準委員會顧問、中國科學院大連化學物理研究所研究員 衣寶廉

訪談主持：《中國汽車報》社總編輯 桂俊鬆

氫能是實現“雙碳”目標的重要抓手，發展氫燃料電池汽車是氫能應用的重要突破口

桂俊鬆： 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：2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯合國大會上宣佈，中國將採取更加有力的政策和措施，力爭於2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。這體現了中國政府對於降低碳排放的高度重視。

目前我國能源以含碳能源爲主，如果要實現“雙碳”目標，就需要發展可再生能源，逐漸減少對高碳能源的依賴。但可再生能源存在季節性、波動性和隨機性的特點，因此要發展可再生能源，就必須大力發展儲能產業，配合可再生能源，逐漸使其成長爲主力能源。氫能可以實現從交通到多領域的廣泛應用，它既可以發電，也是儲能的一種重要形式，還可以通過燃料電池爲汽車等提供能源。因此，氫能既是實現可再生能源大規模利用中關鍵的二次能源，也是實現“雙碳”目標的抓手和載體。目前全球都高度重視氫能利用，也都在努力進行技術攻關，氫能利用已經成爲一個新的“風口”。

全球企業在開發氫能方面正在展開競爭，如BP（英國石油公司）收購了澳大利亞的氫能企業，國內很多央企都參與了氫能開發，如中石化計劃在2025年前建設1000座加氫站，其在新疆庫車建設的年產2萬噸綠氫的工廠也將於今年底前投產，制氫成本可以達到每公斤18元，與天然氣制氫成本接近。

桂俊鬆：從全球範圍看，發展氫能的難點在哪裡？

衣寶廉：世界各國在發展氫能過程中遇到的一個共同難題是氫的儲存與運輸。日本率先提出了氨氫體系，即把氨運輸到目的地後，再分解出氫，使運輸更安全。目前，我國也在發展氨氫無碳能源體系。在這方面，我國的合成氨及重化工體系都比較強，這一路徑容易實現。同時，我國科研人員也在探索用電化學方法生產合成氨，取代高壓高溫合成氨的方式，並已經率先取得了技術突破。電化學方法是在低溫低壓下，用氫和空氣中的氮來合成氨，在很大程度上解決了氫的儲運問題。

桂俊鬆：如何看待發展氫能與開發燃料電池汽車之間的關係？

衣寶廉：燃料電池的廣泛應用是汽車。我國大力發展的燃料電池汽車是氫能應用的一個突破口，其突出優點是比能量較高，可以輸出0.5~1kWh/kg，是鋰離子電池儲能的數倍。所以，燃料電池車特別適合於重載車和長途運輸汽車。而且，我國氫燃料電池汽車已經實現了在-30℃到-40℃狀態下的低溫啓動，不需要額外的功耗。

除了汽車，燃料電池還可以用於船舶、航空運輸，甚至可以發展燃料電池電站來解決電網供電問題。中科院大連化物所與國網安徽六安供電公司合作，已經建成了兆瓦級質子交換膜(PEM)電解水制氫系統工廠和兆瓦級的燃料電池熱電聯供廠，其工作原理是先用電解水制氫，再用燃料電池發電，在用電高峰時再回饋電網，成爲國內首個成功示範的項目。

我國發展氫燃料電池汽車，優勢短板都很突出，最大短板在基礎研究和關鍵材料上

桂俊鬆：中國發展燃料電池汽車的既有優勢在哪裡？

衣寶廉：在燃料電池汽車技術方面，我國的優勢和短板都很突出。優勢主要體現在電池系統等方面，如北京億華通公司解決了石墨板的低溫啓動問題，原來只能在-5℃下啓動，現在可以做到在-40℃下啓動。同時，其在廢熱利用方面也已經達到國際先進水平。因此，豐田才與億華通在中國合資建設燃料電池發動機工廠，用豐田的電堆搭配億華通的系統。

此外，電電混合燃料電池汽車也是我國率先發展起來的。“十五”時期，國外就開始發展純燃料電池汽車，但彼時燃料電池的響應速度非常慢，原因在於氣的流動是秒級的，而電是毫秒級的，這導致加速時踩下踏板後不能馬上加電，要先把氣供應上來後才能加電。所以，863專家組成員萬鋼、歐陽明高等當時就提出了電電混合的工作方式，即把燃料電池與鋰電池混合，在這個模式下可以達到與燃油車同樣的使用體驗。

桂俊鬆：您認爲短板又主要體現在哪些方面？

衣寶廉：目前，儘管國內已經有一些方面做到了世界前列，但整體與國外相比還有一定差距，還存在一些“卡脖子”技術，包括質子交換膜、樹脂，以及氫氣瓶所用的超強纖維等。這主要是由於國內是從電堆和發動機開始發展燃料電池和氫能的，不是從關鍵材料一步步發展起來的，最底層的關鍵材料是個制約因素，所以現在反過來要發展基礎研究，使基礎材料產業化。

比如催化劑就是我們的一大短板。現在國內很多機構和企業都宣稱自己已經做到了“世界一流”，但實際如何還要看其能否實現商業化應用。不僅要經過實驗室的壽命測試，最重要的是要通過裝車運行來驗證，沒有這樣的測試驗證，企業就不會選用配套。在技術開發上，如果用較爲廉價的副產氫來做燃料電池的原料，成本就會比燃油車低，所以要大力發展抗毒氫氧化電催化劑。

從應用基礎研究和工業化的角度來看，目前國內已經能做三型瓶和四型瓶了，但瓶內膽的塑料材料和碳纖維還要依靠進口。所以，一定要加強材料這部分的基礎研究。目前碳纖維的研究已經有了突破，但是內膽塑料方面還待加速突破。我認爲，有關方面要組織跨行業合作，開展相應的燃料電池相關底層材料和關鍵材料、關鍵技術的基礎研究，也期待科技部、國家基金委等部門能夠加大這方面的資金投入。比如，我認爲，在高溫膜和抗毒催化劑研發方面，國家就應該給予大力支持。

還有，現在燃料電池的工作溫度是60℃~90℃，但從產業發展角度看，需要研究高溫膜，實現燃料電池在200℃環境下工作，這樣不但有利於排熱，還能實現大部分儲氫材料的放氫，進而燃料電池也可以去掉高壓氫氣瓶，保證其工作壓力在10~20個大氣壓之間，這樣，可以讓車輛安全進車庫。而現在氣瓶氣壓高達700個，是不宜進車庫的。

另外，現在仍有個別企業過於看重政府補貼，這需要警惕。希望燃料電池汽車企業要有市場觀念，要以先進的技術和優質的產品去賺市場的錢，而不是想方設法去謀取地方政府的補貼。市場會優勝（參數丨圖片）劣汰，總有一天，燃料電池企業會像前幾年的鋰電池企業一樣，將來至少淘汰掉30%至50%，當然，最好的結局是實現企業間的兼併重組。

主張示範推廣與技術研發並重；示範地區要有分工，因地制宜；建議國家強化指標監測

桂俊鬆：不知您注意到沒有，國家氫能戰略發佈之後，地方政府在推進示範應用方面都非常積極，可以說是開展得如火如荼。

衣寶廉：是的。在全球範圍內，現在燃料電池汽車的示範重點在中國。目前燃料電池汽車的售價是燃油車的2倍左右、鋰離子電池車的1.5倍到2倍，燃料電池汽車價格整體還比較高，需要示範推廣。

今年的北京冬奧會有1000多輛燃料電池汽車參與運營，是世界規模最大的一次示範運行。除此以外，目前國內已經有5個氫示範城市羣，還有一些其他城市羣也都出臺了相關規劃。比如遼寧省就提出要以大連爲核心，着力構建“一廊一灣三園七區”的氫能產業發展格局。所以我相信，中國的燃料電池汽車會很快實現從1萬輛躍升到10萬輛的規模。由此，也吸引了豐田、現代汽車等國際氫燃料電池汽車頭部企業積極到中國來合資或獨資建廠，博世等和燃料電池車有關的零部件企業也踊躍到中國來尋求發展。這些跨國企業來華投資，客觀上有利於中國突破“卡脖子”技術，實現相關關鍵材料和零部件的量產。

桂俊鬆：這是否有對規模過於熱衷的傾向呢？

衣寶廉：是有這樣的傾向。我認爲不應該過於追求規模的擴大。從地方政府的角度看，過大的規模也會帶來財政補貼的巨大負擔。而企業過於追求量的增加，就會對補貼過於看重，對技術創新重視不夠。

桂俊鬆：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：我的主張是“抓兩頭、帶中間”。所謂“抓兩頭”，就是要一邊抓基礎研究、創新研究，一邊促進產業化。抓好基礎研究是解決從被“卡脖子”到成爲世界領先的關鍵。只有不斷實現技術進步，提升技術水平，燃料電池汽車纔可以做到與鋰電池車旗鼓相當、並駕齊驅，屆時，燃料電池汽車就有望達到百萬輛甚至更大的量，規模自然也就上來了。

桂俊鬆：您所強調的“技術研究和示範並列，兩方面都要重視”的觀點直擊要害。您對示範推廣還有哪些具體建議？

衣寶廉：在示範推廣方面要有指標要求，比如示範城市羣要有多少輛車、要建多少個加氫站，這是硬指標。再比如，要突破國外已掌握的核心技術，如複合膜的拉伸網，要有自己的樹脂和製備工藝，只依賴進口樹脂肯定不行。因此，我建議在示範方面，要根據各省市區的特點進行分工，因地制宜，高效配合，從最底層的原材料到最終的產品都要進行開發。例如，在雙極板技術上，國內現在主要有金屬板、引進的巴拉德石墨板，還發展了複合板。而韓國在金屬板原材料方面，則自主研製了特種鋼，搭載於現代的燃料電池車上，並已經向國際市場銷售。我們也有很多鋼廠，應該可以做出有中國特色的特種鋼。如此一來，國內金屬板電堆就不再需要表面改性材料了，也不需要花高價去國外購買那麼多表面改性設備。因此，必須堅持自主創新，加快發展。

另外，我主張現在的燃料電池車應該全部納入國家燃料電池汽車監測系統中，只有這樣才能檢驗出燃料電池車的真實水平。同時，國內建造的電解水廠等也都要納入國家監控系統，包括大連化物所與六安合建的兆瓦級的質子交換膜電解水工廠和兆瓦級的燃料電池發電站。納入國家監測系統後，數據纔可靠。

中國“先商後乘”路徑得到國際認可；汽車企業應主攻電堆開發，加強產學研合作；應強化標準體系建設

桂俊鬆：您對燃料電池汽車市場化的前景怎麼看？

衣寶廉：按照我國《氫能產業發展中長期規劃（2021~2035年）》，預計到2025年前後，可實現關鍵材料及零部件的批量生產，屆時燃料電池車的電堆價格將會降到1000元/kW左右，燃料電池汽車的售價可接近鋰離子電池汽車。燃料電池發動機電堆的理想價格，應該是500元~600元/kW，這點可以靠自主創新來實現。屆時，一輛燃料電池乘用車與鋰離子電池車的售價將會相差無幾，兩者就可以實現並駕齊驅，發揮各自優勢，共同促進交通行業的脫碳。

桂俊鬆：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：汽車企業要把燃料電池車做好，首先是要把電堆做好，真正把電堆壽命做到2萬小時，讓重載車能夠跑到100萬公里，而不是20萬公里。也就是說，企業應該把自己的本職工作做好；其次，汽車企業應該加強產學研方面的合作，可以聯手高校和科研院所開展橫向聯合創新，以解決與基礎研究相關的技術難題和前瞻性問題；此外，汽車企業研發燃料電池車，必須堅持市場化路線，研究如何與燃油車競爭，如何把成本降下來，如何把加氫費用等運行費用降下來。

桂俊鬆：您怎麼看待中國在發展氫燃料電池汽車過程中逐漸探索出的“先商後乘”的發展路徑？

衣寶廉：以往國外發展燃料電池汽車都是以乘用車爲主，但是乘用車對加氫站的依賴度很高，需要加氫站達到一定密度才行。即使是美國、日本等國，也都存在加氫站不足的問題。而中國是以商用車爲主來發展燃料電池汽車的，乘用車目前只是在小範圍內示範。選擇這種路徑的原因是，商用車一般有相對固定的行駛路線，對加氫站的依賴度也沒那麼高，比如在大客車的行駛路線上一般只需一兩個加氫站就可以了，所以“先商後乘”的發展路徑更適合燃料電池汽車的推廣。

目前我國燃料電池商用車已經有了自己的特色，在全球處於領先地位。中國“先商後乘”的發展路徑開始得到國際上的認可，這一路線也已經影響到國外企業，比如豐田開始研發燃料電池商用車。

在燃料電池乘用車方面，我們要追上日本和韓國還需要一段時間，因爲它們開發燃料電池汽車已經有幾十年的歷史了。國內乘用車企業也要向豐田、現代等先進企業學習，加強技術攻關。同時做好燃料電池商用車，這有利於我們發展燃料電池乘用車。

桂俊鬆：您前面提到產學研合作，我覺得您所在的中科院大連化物所在燃料電池等技術研發方面一直是國內領軍者，那麼，針對我們現有的燃料電池相關技術的瓶頸短板，大連化物所在技術研發上如何繼續加強？

衣寶廉：大連化物所在這方面的研究主要有三個方面：一是推廣應用已有的燃料電池和制氫技術，支持國家的示範和產業化。目前大連化物所已經組建了3家相關公司，即新源動力、六安的明天氫能公司和國創氫能公司；二是大連市和我們不斷進行技術研發，提高技術水平。改進電堆製備工藝、催化劑、質子膜及其流程，提高電堆比功率，同時還在進行一些基礎研究；三是着眼長遠，研發高溫膜和抗毒氫氧化電催化劑。

在研發工作上，首先是通過不斷改進技術來提高電堆的比功率。“十五”期間，國內燃料電池的工作電流密度爲500毫安，到“十二五”期間，通過我們的研究將其提高到了800毫安至1安培，幾乎翻了一番。電堆輸出也從10kW提升到18kW。再到現在的“十四五”，電流密度已經提高到1~1.5安培，與“十五”時期相比提高了3倍，也因此讓電堆的成本出現了明顯下降。我們希望未來能夠將電流密度提高到2安培，結合部分關鍵材料的批量生產，可將電堆成本降到1000元以下。其次是加強基礎應用研究，主要目的是提高電堆的比功率。

桂俊鬆：您認爲我國在氫燃料汽車標準體系建設方面還需要注意哪些問題？

衣寶廉：在燃料電池的標準體系建設方面，我認爲現在國家標準跟不上市場發展的需求。不管是國家還是地方，都要針對現在市場上需要解決的問題儘快出臺相應標準，只有這樣，纔能有力促進我國氫能應用和燃料電池汽車產業的發展。

整理：趙建國 編輯：孫煥玉 版式：王琨