美國宣布要拿出 1740 億美元來扶持美國電動汽車的發(fā)展，確保不會在這條賽道的國際競爭中落于下風(fēng)。
中國則在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，到 2025 年，新能源汽車新車銷售量要達(dá)到汽車新車銷售總量的 20% 左右，再經(jīng)過 15 年努力，使新能源汽車核心技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，質(zhì)量品牌具備較強國際競爭力。純電動汽車成為新銷售車輛的主流。
“世界各國均在發(fā)展電動汽車，但風(fēng)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網(wǎng)易科技《科學(xué)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(biāo)的實現(xiàn)，要靠強大的技術(shù)實力支撐，中國電動汽車發(fā)展背后的推動力量之一，就是像衣寶廉這樣一批科學(xué)家，為技術(shù)研發(fā)埋頭苦干、咬定青山不放松。
電動汽車要發(fā)展，離不開電池研發(fā)這一核心和基礎(chǔ)，目前在電動汽車上普遍應(yīng)用是鋰離子電池，盡管有各種優(yōu)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著電動汽車的進(jìn)一步發(fā)展。
這時候，衣寶廉的研究領(lǐng)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，并先后擔(dān)任過全國燃料電池與液流電池標(biāo)準(zhǔn)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(fā)動機責(zé)任專家等職務(wù)。歷時 50 年，堅守在燃料電池科研一線，成為中國現(xiàn)代燃料電池研究、應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中提到的“三縱三橫”研發(fā)布局中，燃料電池汽車和燃料電池是其中的“一縱一橫”，國家戰(zhàn)略目標(biāo)設(shè)定是在 15 年后，燃料電池汽車要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
2022 年北京冬奧會，據(jù)悉將有 6 種款型一共 212 輛純國產(chǎn)氫燃料電池客車會投入運營。
氫燃料電池之所以受歡迎，是由于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(xiàn)動力轉(zhuǎn)化，同時它的成本和回收技術(shù)都在向較為理想的方向發(fā)展。中國汽車工程學(xué)會一項資料提到，相比于鋰電池，氫燃料電池有能量密度高、續(xù)航里程長、負(fù)載能力強、加氫快等優(yōu)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(fā)展行列。
衣寶廉早在 1960 年代就涉足燃料電池研發(fā)，當(dāng)時他所在的中科院大連物化所團(tuán)隊承擔(dān)載人航天飛船上主電源 —— 燃料電池的研發(fā)任務(wù)，經(jīng)過近 10 年的努力，研制成功堿性氫氧燃料電池系統(tǒng)。但受建國初期國內(nèi)時局的影響，此項目后來被撤銷，團(tuán)隊被解散。
當(dāng)時，德國利用燃料電池做輔助動力源的 AIP 潛艇已經(jīng)下水服役。衣寶廉告訴《科學(xué)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(wù)雖然撤銷，他還是與愿意留下來的幾位同事一道，繼續(xù)進(jìn)行燃料電池研究。
冷板凳坐了十多年，到 1988 年，受石油供應(yīng)緊張等形勢的影響，燃料電池的研發(fā)在國內(nèi)又重新熱起來，國家又開始支持研發(fā)。
守得云開見月明，衣寶廉的運氣又來了，他申請到科技部與中國科學(xué)院聯(lián)合支持的燃料電池技術(shù)九五攻關(guān)研究課題，研發(fā)質(zhì)子交換膜等燃料電池，在國內(nèi)首先組裝成功千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池堆和三十千瓦燃料電池系統(tǒng)作為中巴車的動力源，并示范燃料電池車，掌握了專利技術(shù)，獲得九五攻關(guān)任務(wù)(指全國科技發(fā)展九五計劃)的先進(jìn)個人。
2001 年，衣寶廉被聘任為國家 863 計劃“電動汽車重大專項”總體專家組成員和燃料電池發(fā)動機責(zé)任專家。
此后，衣寶廉又以科學(xué)家的身份領(lǐng)導(dǎo)組建了中國第一家專注于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的股份制企業(yè)新源動力，擔(dān)任董事長和總工程師，為燃料電池產(chǎn)業(yè)化探路。
2008 年和 2010 年，他領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊研制的燃料電池發(fā)動機在北京奧運會、上海世博會燃料電池示范汽車上獲得應(yīng)用。雖然示范成功，但衣寶廉承認(rèn)，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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
除了核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，氫燃料電池汽車要實現(xiàn)大量商業(yè)化還需要相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施配套，比如加氫站的建設(shè)和氫能的儲運等。中國汽車工程學(xué)會稱，目前中國可用的加氫站僅有寥寥數(shù)十座，無法支撐大規(guī)模示范運營，制氫、儲運氫、加氫能環(huán)節(jié)成本也較高，氫能的生產(chǎn)、儲運、技術(shù)要求等環(huán)節(jié)也還沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)可依。
國家新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略提出，要在動力電池和燃料電池系統(tǒng)短板技術(shù)加以攻關(guān)，同時有序推進(jìn)氫燃料供給體系建設(shè)。擁有國內(nèi)最大制氫能力的兩桶油之一中國石化也宣布，在未來五年里他們要建成 1000 座加氫站。
衣寶廉對氫燃料電池汽車的發(fā)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(xù)創(chuàng)新，爭取成本繼續(xù)降低，加氫站普及，燃料電池車可以進(jìn)入轎車領(lǐng)域。”
1，燃料電池轎車進(jìn)入尋常百姓家，是能實現(xiàn)的
《科學(xué)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，您覺得什么時候能走入尋常百姓家?要想實現(xiàn)大規(guī)模商用，您覺得需要克服什么問題?
衣寶廉：氫燃料電池的比能量高，可達(dá)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。目前通過示范運行，已經(jīng)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(shù)量和密度、整車的售價，加氫站數(shù)量不夠，布局不合理，就會影響到氫的儲運和加注，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(rèn)為，要實現(xiàn)關(guān)鍵材料與部件批量生產(chǎn)，初步降低燃料電池發(fā)動機的成本，應(yīng)該先商業(yè)化對加氫站依賴度低的商用車，特別是重卡車。
進(jìn)一步依靠科技創(chuàng)新，簡化電堆材料和系統(tǒng)部件，進(jìn)一步降低發(fā)動機成本和對氫氣純度的要求，降低燃料氫成本，延長發(fā)動機壽命，結(jié)合加氫站進(jìn)一步普及氫能發(fā)展，燃料電池也可以進(jìn)軍乘用車市場。
時間上，我認(rèn)為最早也要到 2030-2035 年燃料電池轎車可能進(jìn)入尋常百姓家。
《科學(xué)大師》：我們國家提出來，在未來的 15 年內(nèi)，燃料電池汽車要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，您怎么看這個目標(biāo)預(yù)設(shè)?
衣寶廉：目前我國是世界產(chǎn)氫和應(yīng)用氫最多的國家，化石燃料制氫技術(shù)成熟，副產(chǎn)氫也多。堿水電解槽技術(shù)成熟，售價世界最低 。因此，我國具備發(fā)展氫能的一定條件的。比如可以先將副產(chǎn)氫利用起來，再利用棄風(fēng)、棄光電源，離網(wǎng)電解水制備氫氣。研發(fā)出對燃料電池具有毒性的雜質(zhì)如硫化物、氨等的精準(zhǔn)凈化技術(shù)，用于燃料電池車，降低燃料氫的純度和成本。
但我國在氫的儲運技術(shù)上還有差距，如天然氣管網(wǎng)摻氫(指氫的運輸)正在試驗，液氫生產(chǎn)正在合資建廠等。在應(yīng)用方面，我國首創(chuàng)商用燃料電池車大規(guī)模示范和應(yīng)用，已獲得世界汽車界的認(rèn)同。
2020 年，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委、國家能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，對符合條件的城市群開展燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎勵，形成布局合理、各有側(cè)重、協(xié)同推進(jìn)的燃料電池汽車發(fā)展新模式，為期四年。我認(rèn)為通過五部委提出的大規(guī)模示范運行，可以解決關(guān)鍵材料與部件的卡脖子技術(shù)，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，大幅度降低燃料電池發(fā)動機成本，初步實現(xiàn)商用車商業(yè)化。
繼而再經(jīng)過 4-5 年的科技創(chuàng)新，可以實現(xiàn)燃料電池轎車的商業(yè)化，到 2035 年燃料電池車達(dá)到 100 萬輛有保障。
明年的北京冬奧會燃料電池車的示范運行就是示范城市群的典型代表。國家很快會公布第一批示范城市群，北京、上海、廣東肯定在示范城市群內(nèi)。
2，氫能汽車大規(guī)模商用，須先解決三高瓶頸
《科學(xué)大師》：關(guān)于車用氫能的經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在的成本高成什么樣，主要是什么原因?
衣寶廉：科技部 2001 年成立電動汽車總體專家組，負(fù)責(zé)電動汽車重大專項。時任總體專家組組長是萬鋼(現(xiàn)為全國政協(xié)副主席、中國科協(xié)主席)，我是專家組的成員?，F(xiàn)在的新能源汽車“三縱三橫”發(fā)展戰(zhàn)略，就是當(dāng)時總體專家組提出來的。
我國從 20 世紀(jì)末就發(fā)展燃料電池汽車，但發(fā)展速度比基礎(chǔ)好的鋰離子電池車慢得多。由于燃料電池基礎(chǔ)弱，電堆功率低，萬鋼等提出電 —— 電混合的技術(shù)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(shù)路線現(xiàn)在已為全世界的燃料電池車采用。
但一直到“十三五”開始，我們國家還存在關(guān)鍵材料與部件需要高價從國外進(jìn)口的現(xiàn)實，這導(dǎo)致燃料電池發(fā)動機成本居高不下，每千瓦電堆售價近萬元，發(fā)動機售價翻倍。
我們說燃料電池車現(xiàn)在存在三高：一是燃料電池發(fā)動機貴，導(dǎo)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(shè)費用高，每座達(dá)到 1000-1500 萬。
所以盡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范任務(wù)，但產(chǎn)業(yè)化的路很難走通。
也是因為這個原因，國家五部委才會聯(lián)合出臺燃料電池城市群示范計劃。
在雙碳目標(biāo)的指引下，國內(nèi) 24 個省、市發(fā)布十四五氫能與燃料電池車發(fā)展規(guī)劃。世界各國燃料電池車和知名制造商如加拿大巴拉德、日本豐田、韓國現(xiàn)代、德國博世等都以合資或獨資形式進(jìn)入中國。因此，我國在四年內(nèi)解決關(guān)鍵材料與部件的卡脖子技術(shù)和實現(xiàn)批量生產(chǎn)沒有問題。比如在本世紀(jì)初買一臺燃料電池車的空壓機要進(jìn)口，20 多萬，還不好買到。現(xiàn)在國內(nèi)已有近十家企業(yè)有產(chǎn)品，售價低于四萬元。
我們既要忙于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，也要有持續(xù)降低成本的研發(fā)力量，同時還要有對核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)的能力，因為解決卡脖子技術(shù)并不意味著你就達(dá)到了國際先進(jìn)水平。比如質(zhì)子交換膜，我們有 15 微米的膜，美國戈爾公司已有 8 微米的復(fù)合膜，想裝高性能的電堆，企業(yè)還得買戈爾的膜。因此我們不但要解決卡脖子技術(shù)，還要達(dá)到世界先進(jìn)水平。
3，氫能汽車和鋰電汽車不會相互取代
《科學(xué)大師》：在燃料電池和鋰電池兩者之間，會是什么樣的競爭趨勢?鋰電池技術(shù)本身還能有發(fā)展空間么?鋰電池車會被燃料電池車取代么?
衣寶廉：在本世紀(jì)初科技部支持研發(fā)電動汽車，成立重大專項，總體專家組制定技術(shù)路線，提出純電、混合動力和燃料電池多元并重發(fā)展。但因為鋰離子電池技術(shù)與批量生產(chǎn)均有較好基礎(chǔ)，鋰離子電池車就得到了快速發(fā)展。
經(jīng)過示范，持續(xù)創(chuàng)新，鋰離子電池車不但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，銷量達(dá)百萬量級，而且引領(lǐng)世界電動車進(jìn)程，在中國還涌現(xiàn)出寧德時代、比亞迪等國際知名的電池生產(chǎn)企業(yè)。
但鋰離子電池車還有續(xù)航里程短、充電時間長、燃燒爆炸等問題?，F(xiàn)在在發(fā)展的換電站技術(shù)，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，要寄希望于固態(tài)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(shù)，有望解決這一問題，我們還是等待大規(guī)模行車實驗的結(jié)果吧。
如果后面用四年時間能解決卡脖子技術(shù)和關(guān)鍵材料與部件的批量生產(chǎn)，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(yōu)越性。
還必須創(chuàng)新，比如要靠創(chuàng)新簡化電池系統(tǒng)和電堆結(jié)構(gòu)，如去掉增濕器和擴(kuò)散層，提高電池工作溫度到 150-200 度，消除兩相流，改進(jìn)流體分配，提高電堆工作電流密度和比功率等。
現(xiàn)在看來燃料電池車和鋰電池車大家都在進(jìn)步，而不是誰消滅誰。未來鋰電池車可能在乘用車、短程車上占優(yōu)勢;燃料電池車在長程、重載的商用車會占優(yōu)勢吧，燃料電池的比能量高，可達(dá) 0.5—1.0Kw/kg，所以它特別適于重載長途車，燃料電池重卡現(xiàn)在是世界研發(fā)銷售的熱點。二者可以通過競爭相互促進(jìn)，共同為碳中和貢獻(xiàn)力量。
《科學(xué)大師》：有專家說，氫的“四個最”是靠研發(fā)無法改變的：體積能量密度最低的物質(zhì)、最小的分子、最易泄漏、最寬爆炸范圍，它的應(yīng)用面臨的不光是運輸和儲存難題，還有安全性，您怎么看?
衣寶廉：物質(zhì)本性是不能改變的，但我們可以通過技術(shù)進(jìn)步，找出合適的應(yīng)對方法。
一方面，氫的體積能量密度最低，但它的質(zhì)量能量密度高于石油和天然氣幾倍。人們可以將氫氣加壓儲存在壓力容器中，現(xiàn)在四型儲氫瓶的儲氫已達(dá)到 6% 左右，可以滿足汽車應(yīng)用。對重卡因為運行里程長，燃料電池功率大，最好采用液氫。
另一方面，對于安全問題，氫不但分子小易滲漏，還具有氫脆特性，因此要研發(fā)抗氫脆的材料，制備輸氫管道和研發(fā)抗氫脆的涂料，改造天然氣管網(wǎng)，用于摻氫運輸。
對于安全問題，要利用氫的另外兩個特性：擴(kuò)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(dāng)氫濃度達(dá)到千分之五時，自動啟動軸流風(fēng)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(fā)生燃燒和爆炸事故。
燃料氫氣儲存在高壓氫瓶內(nèi)，只要發(fā)現(xiàn)燃料電池有故障，關(guān)上氫源，燃料電池不會發(fā)生燃燒和爆炸。
4，電動汽車技術(shù)在發(fā)展，不會敗給燃油車
《科學(xué)大師》：里程焦慮您覺得現(xiàn)有的電池技術(shù)能夠解決么?燃料電池?fù)?jù)說在這方面優(yōu)于鋰電池，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(xiàn)么?
衣寶廉：現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)實行和電池企業(yè)能否接受密切相關(guān)，也需要時間?，F(xiàn)在的換電站是汽車企業(yè)在做，僅自己的裝車電池模塊可以更換。
目前各方在研發(fā)先進(jìn)電池，有的從材料考慮如鈉電池，鈉很豐富，不會出現(xiàn)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(yīng)用，也還需時間。
《科學(xué)大師》：因為一百多年前就有電動車了，但電動車并沒有競爭過燃油車，現(xiàn)在電動車又熱起來，和百年前的情形有什么不同?
衣寶廉：電動車的性能主要決定于電池，電池主要指標(biāo)是看體積比能量與比功率、質(zhì)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(xiàn)在才達(dá)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。
后來高比能量的鋰離子電池的出現(xiàn)，首先在手機、電腦和各種電動工具獲得成功應(yīng)用。在本世紀(jì)初，十幾千瓦的模塊比能量已達(dá)每公斤 80-100 瓦時，用它作為轎車動力，一次充電可行駛一二百里，電動車開始再次興起。
經(jīng)過電池材料和結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新，今天電池的重量比功率已達(dá)到每公斤近 300 瓦時，與換電技術(shù)結(jié)合，已可以和燃油車加油、燃料電池車加氫相競爭了。
5，互聯(lián)網(wǎng)公司入局造車，對電動汽車發(fā)展是利好
《科學(xué)大師》：和美國等國家相比，我們在電動車電池技術(shù)上有什么樣的差異?大家在技術(shù)上有競爭么?他們的電池技術(shù)路線是什么樣的?
衣寶廉：中國引進(jìn)美國電動汽車企業(yè)特斯拉，它生產(chǎn)的電動汽車在中國的銷量遠(yuǎn)超中國企業(yè)如比亞迪，這反映出美國的電池管理和整車控制技術(shù)還是比較先進(jìn)的。所以我國的電動汽車企業(yè)也要加快技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)電動車技術(shù)的進(jìn)步，提高車的性能，并降低售價。
現(xiàn)在鋰離子電池的主要生產(chǎn)企業(yè)均在亞洲即中國、日本和韓國。特斯拉也在用中國電池企業(yè)生產(chǎn)的電池。世界各國鋰電池的技術(shù)路線大同小異，現(xiàn)在用液態(tài)電解質(zhì)，為解決電池安全問題，又都在發(fā)展固態(tài)電池。
電動汽車為汽車智能化提供優(yōu)越的條件，后面發(fā)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(yōu)勢，這在引進(jìn)美國電動汽車企業(yè)特斯拉的產(chǎn)品上已有體現(xiàn)。所以我國的電動汽車企業(yè)要大力推進(jìn)軟件、芯片的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，改進(jìn)電池模塊的管理系統(tǒng)與整車控制，保持電動汽車的領(lǐng)先地位。
《科學(xué)大師》：電動汽車領(lǐng)域上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略，促使更多的社會投資涌入，這對促進(jìn)電動汽車的創(chuàng)新發(fā)展活力會有幫助么?
衣寶廉：我認(rèn)為既要看到目前的新能源汽車發(fā)展的方向與勢頭，也要重視近百年的汽車工業(yè)基礎(chǔ)與積累(指汽車企業(yè)的積累)，把外行和內(nèi)行的相互優(yōu)勢結(jié)合起來?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)想進(jìn)入造車行業(yè)，最好與傳統(tǒng)車企合作，成立電動汽車公司，利用雙方的技術(shù)優(yōu)勢，加快推進(jìn)我國電動汽車的發(fā)展。
隨著汽車向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化發(fā)展，車輛的硬件成本與利潤貢獻(xiàn)占比降低，軟件成本和利潤貢獻(xiàn)占比大幅增加，互聯(lián)網(wǎng)公司在大數(shù)據(jù)、云計算、5G 等技術(shù)上優(yōu)勢明顯，大量進(jìn)入造車行業(yè)，可以推動電動汽車快速發(fā)展。
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