衣宝廉院士直面氢燃料电池汽车产业热点难点

近来，氢燃料电池汽车推广应用及氢能产业发展正迎来新一波高潮，从国家到地方，从政策举措到推广应用实践，氢燃料电池汽车行业已进入新“风口”。

衣宝廉院士是我国燃料电池研究、应用及产业化的主要奠基人之一，他不仅奠定了中国质子交换膜燃料电池车用动力系统走向应用的基石，也一直在努力推动国内氢燃料电池汽车产业的发展。8月22日，《中国汽车报》社总编辑桂俊松与衣宝廉院士围绕我国氢能应用与氢燃料电池汽车产业发展的热点、痛点，进行了一场深度交流。

访谈嘉宾：中国工程院院士、全国燃料电池与液流电池标准委员会顾问、中国科学院大连化学物理研究所研究员 衣宝廉

访谈主持：《中国汽车报》社总编辑 桂俊松

氢能是实现“双碳”目标的重要抓手，发展氢燃料电池汽车是氢能应用的重要突破口

桂俊松：您认为氢燃料电池汽车及氢能产业应用的价值到底何在?

衣宝廉：2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会上宣布，中国将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。这体现了中国政府对于降低碳排放的高度重视。

目前我国能源以含碳能源为主，如果要实现“双碳”目标，就需要发展可再生能源，逐渐减少对高碳能源的依赖。但可再生能源存在季节性、波动性和随机性的特点，因此要发展可再生能源，就必须大力发展储能产业，配合可再生能源，逐渐使其成长为主力能源。氢能可以实现从交通到多领域的广泛应用，它既可以发电，也是储能的一种重要形式，还可以通过燃料电池为汽车等提供能源。因此，氢能既是实现可再生能源大规模利用中关键的二次能源，也是实现“双碳”目标的抓手和载体。目前全球都高度重视氢能利用，也都在努力进行技术攻关，氢能利用已经成为一个新的“风口”。

全球企业在开发氢能方面正在展开竞争，如BP(英国石油公司)收购了澳大利亚的氢能企业，国内很多央企都参与了氢能开发，如中石化计划在2025年前建设1000座加氢站，其在新疆库车建设的年产2万吨绿氢的工厂也将于今年底前投产，制氢成本可以达到每公斤18元，与天然气制氢成本接近。

桂俊松：从全球范围看，发展氢能的难点在哪里?

衣宝廉：世界各国在发展氢能过程中遇到的一个共同难题是氢的储存与运输。日本率先提出了氨氢体系，即把氨运输到目的地后，再分解出氢，使运输更安全。目前，我国也在发展氨氢无碳能源体系。在这方面，我国的合成氨及重化工体系都比较强，这一路径容易实现。同时，我国科研人员也在探索用电化学方法生产合成氨，取代高压高温合成氨的方式，并已经率先取得了技术突破。电化学方法是在低温低压下，用氢和空气中的氮来合成氨，在很大程度上解决了氢的储运问题。

桂俊松：如何看待发展氢能与开发燃料电池汽车之间的关系?

衣宝廉：燃料电池的广泛应用是汽车。我国大力发展的燃料电池汽车是氢能应用的一个突破口，其突出优点是比能量较高，可以输出0.5~1kWh/kg，是锂离子电池储能的数倍。所以，燃料电池车特别适合于重载车和长途运输汽车。而且，我国氢燃料电池汽车已经实现了在-30℃到-40℃状态下的低温启动，不需要额外的功耗。

除了汽车，燃料电池还可以用于船舶、航空运输，甚至可以发展燃料电池电站来解决电网供电问题。中科院大连化物所与国网安徽六安供电公司合作，已经建成了兆瓦级质子交换膜(PEM)电解水制氢系统工厂和兆瓦级的燃料电池热电联供厂，其工作原理是先用电解水制氢，再用燃料电池发电，在用电高峰时再回馈电网，成为国内首个成功示范的项目。

我国发展氢燃料电池汽车，优势短板都很突出，最大短板在基础研究和关键材料上

桂俊松：中国发展燃料电池汽车的既有优势在哪里?

衣宝廉：在燃料电池汽车技术方面，我国的优势和短板都很突出。优势主要体现在电池系统等方面，如北京亿华通公司解决了石墨板的低温启动问题，原来只能在-5℃下启动，现在可以做到在-40℃下启动。同时，其在废热利用方面也已经达到国际先进水平。因此，丰田才与亿华通在中国合资建设燃料电池发动机工厂，用丰田的电堆搭配亿华通的系统。

此外，电电混合燃料电池汽车也是我国率先发展起来的。“十五”时期，国外就开始发展纯燃料电池汽车，但彼时燃料电池的响应速度非常慢，原因在于气的流动是秒级的，而电是毫秒级的，这导致加速时踩下踏板后不能马上加电，要先把气供应上来后才能加电。所以，863专家组成员万钢、欧阳明高等当时就提出了电电混合的工作方式，即把燃料电池与锂电池混合，在这个模式下可以达到与燃油车同样的使用体验。

桂俊松：您认为短板又主要体现在哪些方面?

衣宝廉：目前，尽管国内已经有一些方面做到了世界前列，但整体与国外相比还有一定差距，还存在一些“卡脖子”技术，包括质子交换膜、树脂，以及氢气瓶所用的超强纤维等。这主要是由于国内是从电堆和发动机开始发展燃料电池和氢能的，不是从关键材料一步步发展起来的，最底层的关键材料是个制约因素，所以现在反过来要发展基础研究，使基础材料产业化。

比如催化剂就是我们的一大短板。现在国内很多机构和企业都宣称自己已经做到了“世界一流”，但实际如何还要看其能否实现商业化应用。不仅要经过实验室的寿命测试，最重要的是要通过装车运行来验证，没有这样的测试验证，企业就不会选用配套。在技术开发上，如果用较为廉价的副产氢来做燃料电池的原料，成本就会比燃油车低，所以要大力发展抗毒氢氧化电催化剂。

从应用基础研究和工业化的角度来看，目前国内已经能做三型瓶和四型瓶了，但瓶内胆的塑料材料和碳纤维还要依靠进口。所以，一定要加强材料这部分的基础研究。目前碳纤维的研究已经有了突破，但是内胆塑料方面还待加速突破。我认为，有关方面要组织跨行业合作，开展相应的燃料电池相关底层材料和关键材料、关键技术的基础研究，也期待科技部、国家基金委等部门能够加大这方面的资金投入。比如，我认为，在高温膜和抗毒催化剂研发方面，国家就应该给予大力支持。

还有，现在燃料电池的工作温度是60℃~90℃，但从产业发展角度看，需要研究高温膜，实现燃料电池在200℃环境下工作，这样不但有利于排热，还能实现大部分储氢材料的放氢，进而燃料电池也可以去掉高压氢气瓶，保证其工作压力在10~20个大气压之间，这样，可以让车辆安全进车库。而现在气瓶气压高达700个，是不宜进车库的。

另外，现在仍有个别企业过于看重政府补贴，这需要警惕。希望燃料电池汽车企业要有市场观念，要以先进的技术和优质的产品去赚市场的钱，而不是想方设法去谋取地方政府的补贴。市场会优胜劣汰，总有一天，燃料电池企业会像前几年的锂电池企业一样，将来至少淘汰掉30%至50%，当然，最好的结局是实现企业间的兼并重组。

主张示范推广与技术研发并重;示范地区要有分工，因地制宜;建议国家强化指标监测

桂俊松：不知您注意到没有，国家氢能战略发布之后，地方政府在推进示范应用方面都非常积极，可以说是开展得如火如荼。

衣宝廉：是的。在全球范围内，现在燃料电池汽车的示范重点在中国。目前燃料电池汽车的售价是燃油车的2倍左右、锂离子电池车的1.5倍到2倍，燃料电池汽车价格整体还比较高，需要示范推广。

今年的北京冬奥会有1000多辆燃料电池汽车参与运营，是世界规模最大的一次示范运行。除此以外，目前国内已经有5个氢示范城市群，还有一些其他城市群也都出台了相关规划。比如辽宁省就提出要以大连为核心，着力构建“一廊一湾三园七区”的氢能产业发展格局。所以我相信，中国的燃料电池汽车会很快实现从1万辆跃升到10万辆的规模。由此，也吸引了丰田、现代汽车等国际氢燃料电池汽车头部企业积极到中国来合资或独资建厂，博世等和燃料电池车有关的零部件企业也踊跃到中国来寻求发展。这些跨国企业来华投资，客观上有利于中国突破“卡脖子”技术，实现相关关键材料和零部件的量产。

桂俊松：这是否有对规模过于热衷的倾向呢?

衣宝廉：是有这样的倾向。我认为不应该过于追求规模的扩大。从地方政府的角度看，过大的规模也会带来财政补贴的巨大负担。而企业过于追求量的增加，就会对补贴过于看重，对技术创新重视不够。

桂俊松：从可持续发展的角度看，您对当前的燃料电池汽车示范推广有何建议?

衣宝廉：我的主张是“抓两头、带中间”。所谓“抓两头”，就是要一边抓基础研究、创新研究，一边促进产业化。抓好基础研究是解决从被“卡脖子”到成为世界领先的关键。只有不断实现技术进步，提升技术水平，燃料电池汽车才可以做到与锂电池车旗鼓相当、并驾齐驱，届时，燃料电池汽车就有望达到百万辆甚至更大的量，规模自然也就上来了。

桂俊松：您所强调的“技术研究和示范并列，两方面都要重视”的观点直击要害。您对示范推广还有哪些具体建议?

衣宝廉：在示范推广方面要有指标要求，比如示范城市群要有多少辆车、要建多少个加氢站，这是硬指标。再比如，要突破国外已掌握的核心技术，如复合膜的拉伸网，要有自己的树脂和制备工艺，只依赖进口树脂肯定不行。因此，我建议在示范方面，要根据各省市区的特点进行分工，因地制宜，高效配合，从最底层的原材料到最终的产品都要进行开发。例如，在双极板技术上，国内现在主要有金属板、引进的巴拉德石墨板，还发展了复合板。而韩国在金属板原材料方面，则自主研制了特种钢，搭载于现代的燃料电池车上，并已经向国际市场销售。我们也有很多钢厂，应该可以做出有中国特色的特种钢。如此一来，国内金属板电堆就不再需要表面改性材料了，也不需要花高价去国外购买那么多表面改性设备。因此，必须坚持自主创新，加快发展。

另外，我主张现在的燃料电池车应该全部纳入国家燃料电池汽车监测系统中，只有这样才能检验出燃料电池车的真实水平。同时，国内建造的电解水厂等也都要纳入国家监控系统，包括大连化物所与六安合建的兆瓦级的质子交换膜电解水工厂和兆瓦级的燃料电池发电站。纳入国家监测系统后，数据才可靠。

中国“先商后乘”路径得到国际认可;汽车企业应主攻电堆开发，加强产学研合作;应强化标准体系建设

桂俊松：您对燃料电池汽车市场化的前景怎么看?

衣宝廉：按照我国《氢能产业发展中长期规划(2021~2035年)》，预计到2025年前后，可实现关键材料及零部件的批量生产，届时燃料电池车的电堆价格将会降到1000元/kW左右，燃料电池汽车的售价可接近锂离子电池汽车。燃料电池发动机电堆的理想价格，应该是500元~600元/kW，这点可以靠自主创新来实现。届时，一辆燃料电池乘用车与锂离子电池车的售价将会相差无几，两者就可以实现并驾齐驱，发挥各自优势，共同促进交通行业的脱碳。

桂俊松：目前国内汽车行业，从商用车企业到乘用车企业都在积极开发氢燃料电池汽车，在这方面汽车企业怎么才能做得更好?

衣宝廉：汽车企业要把燃料电池车做好，首先是要把电堆做好，真正把电堆寿命做到2万小时，让重载车能够跑到100万公里，而不是20万公里。也就是说，企业应该把自己的本职工作做好;其次，汽车企业应该加强产学研方面的合作，可以联手高校和科研院所开展横向联合创新，以解决与基础研究相关的技术难题和前瞻性问题;此外，汽车企业研发燃料电池车，必须坚持市场化路线，研究如何与燃油车竞争，如何把成本降下来，如何把加氢费用等运行费用降下来。

桂俊松：您怎么看待中国在发展氢燃料电池汽车过程中逐渐探索出的“先商后乘”的发展路径?

衣宝廉：以往国外发展燃料电池汽车都是以乘用车为主，但是乘用车对加氢站的依赖度很高，需要加氢站达到一定密度才行。即使是美国、日本等国，也都存在加氢站不足的问题。而中国是以商用车为主来发展燃料电池汽车的，乘用车目前只是在小范围内示范。选择这种路径的原因是，商用车一般有相对固定的行驶路线，对加氢站的依赖度也没那么高，比如在大客车的行驶路线上一般只需一两个加氢站就可以了，所以“先商后乘”的发展路径更适合燃料电池汽车的推广。

目前我国燃料电池商用车已经有了自己的特色，在全球处于领先地位。中国“先商后乘”的发展路径开始得到国际上的认可，这一路线也已经影响到国外企业，比如丰田开始研发燃料电池商用车。

在燃料电池乘用车方面，我们要追上日本和韩国还需要一段时间，因为它们开发燃料电池汽车已经有几十年的历史了。国内乘用车企业也要向丰田、现代等先进企业学习，加强技术攻关。同时做好燃料电池商用车，这有利于我们发展燃料电池乘用车。

桂俊松：您前面提到产学研合作，我觉得您所在的中科院大连化物所在燃料电池等技术研发方面一直是国内领军者，那么，针对我们现有的燃料电池相关技术的瓶颈短板，大连化物所在技术研发上如何继续加强?

衣宝廉：大连化物所在这方面的研究主要有三个方面：一是推广应用已有的燃料电池和制氢技术，支持国家的示范和产业化。目前大连化物所已经组建了3家相关公司，即新源动力、六安的明天氢能公司和国创氢能公司;二是大连市和我们不断进行技术研发，提高技术水平。改进电堆制备工艺、催化剂、质子膜及其流程，提高电堆比功率，同时还在进行一些基础研究;三是着眼长远，研发高温膜和抗毒氢氧化电催化剂。

在研发工作上，首先是通过不断改进技术来提高电堆的比功率。“十五”期间，国内燃料电池的工作电流密度为500毫安，到“十二五”期间，通过我们的研究将其提高到了800毫安至1安培，几乎翻了一番。电堆输出也从10kW提升到18kW。再到现在的“十四五”，电流密度已经提高到1~1.5安培，与“十五”时期相比提高了3倍，也因此让电堆的成本出现了明显下降。我们希望未来能够将电流密度提高到2安培，结合部分关键材料的批量生产，可将电堆成本降到1000元以下。其次是加强基础应用研究，主要目的是提高电堆的比功率。

桂俊松：您认为我国在氢燃料汽车标准体系建设方面还需要注意哪些问题?

衣宝廉：在燃料电池的标准体系建设方面，我认为现在国家标准跟不上市场发展的需求。不管是国家还是地方，都要针对现在市场上需要解决的问题尽快出台相应标准，只有这样，才能有力促进我国氢能应用和燃料电池汽车产业的发展。