衣寶廉院士：不安全？全球三萬氫能汽車無一爆炸！
作者｜章劍鋒
美國拜登政府宣佈要拿出1740億美元來扶持美國電動汽車的發展，確保不會在這條賽道的國際競爭中落於下風。
中國則在《新能源汽車產業發展規劃》中明確提出，到2025年，新能源汽車新車銷售量要達到汽車新車銷售總量的20%左右，再經過15年努力，使新能源汽車核心技術達到國際先進水平，質量品牌具備較強國際競爭力。純電動汽車成爲新銷售車輛的主流。
“世界各國均在發展電動汽車，但風口還是在中國。2020年，電動車的世界保有量超過1000萬輛，其中450萬輛在中國。”中國工程院院士衣寶廉對本站科技《科學大師》說，中國是汽車最大的消費市場，也是電動車保有量最多的國家，“車型也最多，不僅有乘用車，還有商用車。”
電動汽車強國目標的實現，要靠強大的技術實力支撐，中國電動汽車發展背後的推動力量之一，就是像衣寶廉這樣一批科學家，爲技術研發埋頭苦幹、咬定青山不放鬆。
電動汽車要發展，離不電池研發這一核心和基礎，目前在電動汽車上普遍應用是鋰離子電池，儘管有各種優勢性能，但鋰電池也以安全性差、成本高、里程焦慮等缺陷而困擾着電動汽車的進一步發展。
這時候，衣寶廉的研究領域——氫燃料電池就被人們寄予越來越多的期待。
衣寶廉，是中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員，並先後擔任過全國燃料電池與液流電池標準委員會主任委員、國家863電動汽車重大專項專家組成員和燃料電池發動機責任專家等職務。歷時50年，堅守在燃料電池科研一線，成爲中國現代燃料電池研究、應用及產業化的主要奠基人之一。
中國目前正掀起一股氫能熱，新能源汽車產業發展規劃中提到的“三縱三橫”研發佈局中，燃料電池汽車和燃料電池是其中的“一縱一橫”，國家戰略目標設定是在15年後，燃料電池汽車要實現商業化應用。
2022年北京冬奧會，據悉將有6種款型一共212輛純國產氫燃料電池客車會投入運營（科技日報）。
氫燃料電池之所以受歡迎，是由於它在使用過程中能做到零排放、零污染，不需要加油和充電，也不需要消耗其他的能源，有空氣和氫氣就可以實現動力轉化，同時它的成本和回收技術都在向較爲理想的方向發展。中國汽車工程學會一項資料提到，相比於鋰電池，氫燃料電池有能量密度高、續航里程長、負載能力強、加氫快等優勢，而在今年，從上到下各地政府紛紛行動，將氫能及燃料電池列入重點發展行列。
衣寶廉早在1960年代就涉足燃料電池研發，當時他所在的中科院大連物化所團隊承擔載人航天飛船上主電源——燃料電池的研發任務，經過近10年的努力，研製成功鹼性氫氧燃料電池系統。但受建國初期國內時局的影響，此項目後來被撤銷，團隊被解散。
當時，德國利用燃料電池做輔助動力源的AIP潛艇已經下水服役。衣寶廉告訴《科學大師》，他從這件事中感到燃料電池在需要高能量密度的特殊場所會有用武之地，所以任務雖然撤銷，他還是與願意留下來的幾位同事一道，繼續進行燃料電池研究。
冷板凳坐了十多年，到1988年，受石油供應緊張等形勢的影響，燃料電池的研發在國內又重新熱起來，國家又開始支持研發。
守得雲開見月明，衣寶廉的運氣又來了，他申請到科技部與中國科學院聯合支持的燃料電池技術九五攻關研究課題，研發質子交換膜等燃料電池，在國內首先組裝成功千瓦級質子交換膜燃料電池堆和三十千瓦燃料電池系統作爲中巴車的動力源，並示範燃料電池車，掌握了專利技術，獲得九五攻關任務（指全國科技發展九五計劃）的先進個人。
2001年，衣寶廉被聘任爲國家863計劃“電動汽車重大專項”總體專家組成員和燃料電池發動機責任專家。
此後，衣寶廉又以科學家的身份領導組建了中國第一家專注於燃料電池產業化的股份制企業新源動力，擔任董事長和總工程師，爲燃料電池產業化探路。
2008年和2010年，他領導團隊研製的燃料電池發動機在北京奧運會、上海世博會燃料電池示範汽車上獲得應用。雖然示範成功，但衣寶廉承認，從實踐來看，成本過高、原材料和部件被國外卡脖子，使燃料電池難以實現產業化。
除了核心關鍵技術的研發，氫燃料電池汽車要實現大量商業化還需要相應的基礎設施配套，比如加氫站的建設和氫能的儲運等。中國汽車工程學會稱，目前中國可用的加氫站僅有寥寥數十座，無法支撐大規模示範運營，制氫、儲運氫、加氫能環節成本也較高，氫能的生產、儲運、技術要求等環節也還沒有專門的標準可依。
國家新能源汽車發展戰略提出，要在動力電池和燃料電池系統短板技術加以攻關，同時有序推進氫燃料供給體系建設。擁有國內最大制氫能力的兩桶油之一中國石化也宣佈，在未來五年裡他們要建成1000座加氫站。
衣寶廉對氫燃料電池汽車的發展抱持樂觀看法，他相信，不需要太長的時間，氫能車就會普及起來，覆蓋更多的用戶，“繼續創新，爭取成本繼續降低，加氫站普及，燃料電池車可以進入轎車領域。”
電動汽車能否大發展取決於電池技術的突破/圖源：本站科技
1，燃料電池轎車進入尋常百姓家，是能實現的
《科學大師》：目前消費者開的電動汽車，像特斯拉、蔚來、理想等等，用的都是鋰電池，那氫燃料電池車，您覺得什麼時候能走入尋常百姓家？要想實現大規模商用，您覺得需要克服什麼問題？
衣寶廉：氫燃料電池的比能量高，可達到0.5—1.0Kwh/kg，是鋰離子電池的2-3倍，所以它特別適合長距離運行的重載車。目前通過示範運行，已經證明燃料電池汽車運行的舒適性，運行里程和加氫時間等都可以和燃油汽車媲美。
但燃料電池汽車普及還受兩個條件限制：加氫站的數量和密度、整車的售價，加氫站數量不夠，佈局不合理，就會影響到氫的儲運和加註，繼而影響燃料電池汽車的行駛里程；整車價格如果居高，普通消費者也很難有消費承受力。
我認爲，要實現關鍵材料與部件批量生產，初步降低燃料電池發動機的成本，應該先商業化對加氫站依賴度低的商用車，特別是重卡車。
進一步依靠科技創新，簡化電堆材料和系統部件，進一步降低發動機成本和對氫氣純度的要求，降低燃料氫成本，延長髮動機壽命，結合加氫站進一步普及氫能發展，燃料電池也可以進軍乘用車市場。
時間上，我認爲最早也要到2030-2035年燃料電池轎車可能進入尋常百姓家。
《科學大師》：我們國家提出來，在未來的15年內，燃料電池汽車要實現商業化應用，您怎麼看這個目標預設？
衣寶廉：目前我國是世界產氫和應用氫最多的國家，化石燃料制氫技術成熟，副產氫也多。鹼水電解槽技術成熟，售價世界最低 。因此，我國具備發展氫能的一定條件的。比如可以先將副產氫利用起來，再利用棄風、棄光電源，離網電解水製備氫氣。研發出對燃料電池具有毒性的雜質如硫化物、氨等的精準淨化技術，用於燃料電池車，降低燃料氫的純度和成本。
但我國在氫的儲運技術上還有差距，如天然氣管網摻氫（指氫的運輸）正在試驗，液氫生產正在合資建廠等。在應用方面，我國首創商用燃料電池車大規模示範和應用，已獲得世界汽車界的認同。
2020年，財政部、工業和信息化部、科技部、發展改革委、國家能源局等五部委聯合發佈了《關於開展燃料電池汽車示範應用的通知》，對符合條件的城市羣開展燃料電池汽車關鍵核心技術產業化攻關和示範應用給予獎勵，形成佈局合理、各有側重、協同推進的燃料電池汽車發展新模式，爲期四年。我認爲通過五部委提出的大規模示範運行，可以解決關鍵材料與部件的卡脖子技術，並實現批量生產，大幅度降低燃料電池發動機成本，初步實現商用車商業化。
繼而再經過4-5年的科技創新，可以實現燃料電池轎車的商業化，到2035年燃料電池車達到100萬輛有保障。
明年的北京冬奧會燃料電池車的示範運行就是示範城市羣的典型代表。國家很快會公佈第一批示範城市羣，北京、上海、廣東肯定在示範城市羣內。
2，氫能汽車大規模商用，須先解決三高瓶頸
《科學大師》：關於車用氫能的經濟性，現在的成本高成什麼樣，主要是什麼原因？
衣寶廉：科技部2001年成立電動汽車總體專家組，負責電動汽車重大專項。時任總體專家組組長是萬鋼（現爲全國政協副主席、中國科協主席），我是專家組的成員。現在的新能源汽車“三縱三橫”發展戰略，就是當時總體專家組提出來的。
我國從20世紀末就發展燃料電池汽車，但發展速度比基礎好的鋰離子電池車慢得多。由於燃料電池基礎弱，電堆功率低，萬鋼等提出電——電混合的技術路線，即燃料電池與鋰離子或超級電容器電電混合，不但延長燃料電池壽命，還大幅度提高了燃料電池車性能，這種技術路線現在已爲全世界的燃料電池車採用。
但一直到“十三五”開始，我們國家還存在關鍵材料與部件需要高價從國外進口的現實，這導致燃料電池發動機成本居高不下，每千瓦電堆售價近萬元，發動機售價翻倍。
我們說燃料電池車現在存在三高：一是燃料電池發動機貴，導致車貴，是燃油車2-3倍，鋰離子電池車1.5-2倍。二是燃料氫貴，一般售價是每公斤60元左右。三是加氫站建設費用高，每座達到1000-1500萬。
所以儘管燃料電池車之前在北京奧運會、上海世博會很好地完成了示範任務，但產業化的路很難走通。
也是因爲這個原因，國家五部委纔會聯合出臺燃料電池城市羣示範計劃。
在雙碳目標的指引下，國內24個省、市發佈十四五氫能與燃料電池車發展規劃。世界各國燃料電池車和知名製造商如加拿大巴拉德、日本豐田、韓國現代、德國博世等都以合資或獨資形式進入中國。因此，我國在四年內解決關鍵材料與部件的卡脖子技術和實現批量生產沒有問題。比如在本世紀初買一臺燃料電池車的空壓機要進口，20多萬，還不好買到。現在國內已有近十家企業有產品，售價低於四萬元。
我們既要忙於產業化發展，也要有持續降低成本的研發力量，同時還要有對核心關鍵技術進行攻關的能力，因爲解決卡脖子技術並不意味着你就達到了國際先進水平。比如質子交換膜，我們有15微米的膜，美國戈爾公司已有8微米的複合膜，想裝高性能的電堆，企業還得買戈爾的膜。因此我們不但要解決卡脖子技術，還要達到世界先進水平。
3，氫能汽車和鋰電汽車不會相互取代
《科學大師》：在燃料電池和鋰電池兩者之間，會是什麼樣的競爭趨勢？鋰電池技術本身還能有發展空間麼？鋰電池車會被燃料電池車取代麼？
衣寶廉：在本世紀初科技部支持研發電動汽車，成立重大專項，總體專家組制定技術路線，提出純電、混合動力和燃料電池多元並重發展。但因爲鋰離子電池技術與批量生產均有較好基礎，鋰離子電池車就得到了快速發展。
經過示範，持續創新，鋰離子電池車不但實現產業化，銷量達百萬量級，而且引領世界電動車進程，在中國還涌現出寧德時代、比亞迪等國際知名的電池生產企業。
但鋰離子電池車還有續航里程短、充電時間長、燃燒爆炸等問題。現在在發展的換電站技術，可以解決充電時間長、里程焦慮等問題，但做到換電站普適性，還需要較長時間。解決燃燒爆炸問題，要寄希望於固態電池，這可能需要更長時間。但比亞迪的刀片電池、廣汽的彈匣電池等技術，有望解決這一問題，我們還是等待大規模行車實驗的結果吧。
如果後面用四年時間能解決卡脖子技術和關鍵材料與部件的批量生產，大幅度降低成本，到2025-2030年，燃料電池車可能在售價上接近鋰離子電池車，在商用車方面能顯示出優越性。
還必須創新，比如要靠創新簡化電池系統和電堆結構，如去掉增溼器和擴散層，提高電池工作溫度到150-200度，消除兩相流，改進流體分配，提高電堆工作電流密度和比功率等。
現在看來燃料電池車和鋰電池車大家都在進步，而不是誰消滅誰。未來鋰電池車可能在乘用車、短程車上佔優勢；燃料電池車在長程、重載的商用車會佔優勢吧，燃料電池的比能量高，可達0.5—1.0Kw/kg，所以它特別適於重載長途車，燃料電池重卡現在是世界研發銷售的熱點。二者可以通過競爭相互促進，共同爲碳中和貢獻力量。
《科學大師》：有專家說，氫的“四個最”是靠研發無法改變的：體積能量密度最低的物質、最小的分子、最易泄漏、最寬爆炸範圍，它的應用面臨的不光是運輸和儲存難題，還有安全性，您怎麼看？
衣寶廉：物質本性是不能改變的，但我們可以通過技術進步，找出合適的應對方法。
一方面，氫的體積能量密度最低，但它的質量能量密度高於石油和天然氣幾倍。人們可以將氫氣加壓儲存在壓力容器中，現在四型儲氫瓶的儲氫已達到6%左右，可以滿足汽車應用。對重卡因爲運行里程長，燃料電池功率大，最好採用液氫。
另一方面，對於安全問題，氫不但分子小易滲漏，還具有氫脆特性，因此要研發抗氫脆的材料，製備輸氫管道和研發抗氫脆的塗料，改造天然氣管網，用於摻氫運輸。
對於安全問題，要利用氫的另外兩個特性：擴散速度快、易檢測。在可能有氫泄漏的地點，均安裝氫氣傳感器，當氫濃度達到千分之五時，自動啓動軸流風機，將氫氣排除，確保安全。至今全世界有三萬多輛燃料電池車在運行，還沒有一輛車發生燃燒和爆炸事故。
燃料氫氣儲存在高壓氫瓶內，只要發現燃料電池有故障，關上氫源，燃料電池不會發生燃燒和爆炸。
圖源/受訪者供圖
4，電動汽車技術在發展，不會敗給燃油車
《科學大師》：里程焦慮您覺得現有的電池技術能夠解決麼？燃料電池據說在這方面優於鋰電池，而在鋰電池和氫燃料電池之外，有人也嘗試用石墨烯等新材料來做電池，您覺得還會有更好的材料出現麼？
衣寶廉：現在鋰離子電池車是用換電池的方法解決里程焦慮問題，就是建換電站。但換電站要做到普適性，它的標準實行和電池企業能否接受密切相關，也需要時間。現在的換電站是汽車企業在做，僅自己的裝車電池模塊可以更換。
目前各方在研發先進電池，有的從材料考慮如鈉電池，鈉很豐富，不會出現材料短缺問題。有的從容量考慮，如鋰-硫電池、鋰-空氣電池等，但要做到汽車上的應用，也還需時間。
《科學大師》：因爲一百多年前就有電動車了，但電動車並沒有競爭過燃油車，現在電動車又熱起來，和百年前的情形有什麼不同？
衣寶廉：電動車的性能主要決定於電池，電池主要指標是看體積比能量與比功率、質量比能量與比功率，還有它的安全性。一百年前的電池如鉛酸電池，比能量就很低，現在才達到每公斤40瓦時，體積比能量就更低。因此電動車的性能和行駛里程無法與燃油車相比。
後來高比能量的鋰離子電池的出現，首先在手機、電腦和各種電動工具獲得成功應用。在本世紀初，十幾千瓦的模塊比能量已達每公斤80-100瓦時，用它作爲轎車動力，一次充電可行駛一二百里，電動車開始再次興起。
經過電池材料和結構的不斷創新，今天電池的重量比功率已達到每公斤近300瓦時，與換電技術結合，已可以和燃油車加油、燃料電池車加氫相競爭了。
《科學大師》：和美國等國家相比，我們在電動車電池技術上有什麼樣的差異？大家在技術上有競爭麼？他們的電池技術路線是什麼樣的？
衣寶廉: 中國引進美國電動汽車企業特斯拉，它生產的電動汽車在中國的銷量遠超中國企業如比亞迪，這反映出美國的電池管理和整車控制技術還是比較先進的。所以我國的電動汽車企業也要加快技術創新，促進電動車技術的進步，提高車的性能，並降低售價。
現在鋰離子電池的主要生產企業均在亞洲即中國、日本和韓國。特斯拉也在用中國電池企業生產的電池。世界各國鋰電池的技術路線大同小異，現在用液態電解質，爲解決電池安全問題，又都在發展固態電池。
電動汽車爲汽車智能化提供優越的條件，後面發展出來的智能化的電動汽車對軟件、芯片依賴度更大。美國有軟件、芯片優勢，這在引進美國電動汽車企業特斯拉的產品上已有體現。所以我國的電動汽車企業要大力推進軟件、芯片的研發與產業化，改進電池模塊的管理系統與整車控制，保持電動汽車的領先地位。
《科學大師》：電動汽車領域上升到國家發展戰略，促使更多的社會投資涌入，這對促進電動汽車的創新發展活力會有幫助麼？
衣寶廉：我認爲既要看到目前的新能源汽車發展的方向與勢頭，也要重視近百年的汽車工業基礎與積累（指汽車企業的積累），把外行和內行的相互優勢結合起來。互聯網企業想進入造車行業，最好與傳統車企合作，成立電動汽車公司，利用雙方的技術優勢，加快推進我國電動汽車的發展。
隨着汽車向電動化、網聯化、智能化、共享化發展，車輛的硬件成本與利潤貢獻佔比降低，軟件成本和利潤貢獻佔比大幅增加，互聯網公司在大數據、雲計算、5G等技術上優勢明顯，大量進入造車行業，可以推動電動汽車快速發展。
資料援引或參考來源：今日科協、科技訊等。