智见丨衣宝廉院士：燃料电池车是氢能应用的突破口
出品｜科技《智见访谈》作者｜赵芙瑶编辑｜丁广胜你有多久没见过蓝天了？伴随着全球气候变暖、燃料价格上涨以及环境污染日益严重的现状，人类对更清洁、更安全、更高效能源的需求与日俱增。面对这一迫切的需求，燃料电池作为一种具有巨大发展前景的新能源备受瞩目。燃料电池凭借其清洁、高效的特点，正成为能源领域的明日之星。它不仅可以提供清洁的能源供应，减少环境污染和温室气体排放，还具备更高的能源利用效率。随着技术的不断创新和成本的逐渐降低，燃料电池有望为人类提供可持续发展的能源解决方案，助力能源结构的转型与升级。而氢能作为燃料电池的燃料，是一种来源丰富、环保低碳、广泛应用的次生能源，在构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系以及实现碳达峰和碳中和目标方面扮演着重要的角色。2022年，国家发展改革委、国家能源局联合印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中提出了氢能产业发展各阶段目标：到2025年，基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，足以见得国家对于氢能与燃料电池产业的重视程度。那么燃料电池发展现状如何？面对氢气运输的高成本以及加氢站的缺乏问题，我们应该采取何种对策？与发达国家相比，我们在技术方面应该如何奋起直追？科技《智见》专访本次通过世界新能源汽车大会科技委员会秘书处邀请到了燃料电池专家，中国工程院院士衣宝廉。数年前，一次偶然的机会，陪同所书记到北京开会并接下航天燃料电池任务，从此与燃料电池结缘。在燃料电池领域深耕多年的他，如何看待上述问题呢？以下为采访实录。加氢站降价方能与燃油车竞争燃料电池车缓解“里程焦虑”科技：您五十多年来一直专注燃料电池研究，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：要实现双碳目标，必须大力发展可再生能源，实现能源转型，由于可再生能源的波动性和季节性，为实现可再生能源安全上网，必须大力发展储能。氢储能，即用可再生能源电解水制氢，不但可以实现可在生能源储存，还可以实现可再生能源的再分配，也可以消除发展可再生能源的天花板，实现氢—电体系的能源供应，确保国家的能源安全。燃料电池车是氢能应用的突破口，理论上，可以用氢能代替燃油，驱动各种交通工具如各种车辆。大幅度减少石油进口，不但能实现交通领域碳减排，还可以提高国家能源安全性。科技：氢氧燃料电池与普通电池有何区别？中国发展燃料电池汽车的既有优势在哪里？您认为短板又主要体现在哪些方面？衣宝廉：燃料电池和二次电池如锂离子电池均是依据电化学原理将化学能转化为电能。但它们的工作方式不同，燃料电池是按内燃机方式工作的即它要发电一定要组建一个系统：燃料氢供给，氧（空气）供给，氢氧反应产物水的排除，电堆热管理和电管理等分系统。在十五科技部就成立电动汽车专家组，万刚任组长，并设立电动汽车专项。专家组提出三从三横的电动汽车发展战略：三从：锂离子电池车，混合动力车和燃料电池车。三横：电池与燃料电池，电机与推进系统，电控系统。在锂离子电池车产业化后，又提出燃料电池车的成市群示范计划，已批准二批，五个城市群，以奖励代替补贴的促进燃料电池车的发展。氢燃料电池的优势包括以下几点。第一，电池系统比能量高达到每公斤0.5-1.0kw-hr/kg，是锂离子电池的几倍。因此燃料电池车特别适于长途车和重载车，不存在里程焦虑。第二，燃料电池系统的氢罐和电堆是分开的，一旦电堆出现事故如膜串气，巡检电池电压迅速下降，供氢气回路的电磁阀关闭，电堆不会产生燃烧和爆炸。目前，全世界有近七万辆燃料电池车在运行，我国有一万二千多辆在运行，无一辆车发生燃烧与爆炸事故。第三，在严寒地区，燃料电池车行驶里程不缩短，燃料电池产生余热还可为车供暖，优势突出。第四，燃料电池车的续驶里程，加氢时间，驾驶的舒适性均可与燃油车相媲美。由油换氢做燃料对司机没有影响。当然，燃料电池车也存在明显短板，比如燃料电池发动机目前成本高，导致燃料电池车成本是燃油车的2—3倍，锂离子电池车的1.5—2.0倍。另外，一座加氢站建设费1500万左右，是充电站几倍。在我看来，加氢站加氢要不补贴，每公斤氢60左右，只有降到30—20元，才能与燃油车竞争。科技：有人认为氢燃料电池汽车未来更多替代柴油车，而纯电动汽车更多代替汽油车，这种观点您认可吗？未来纯电动汽车和氢燃料电池汽车多大意义上存在竞争关系？衣宝廉：由于锂离子电池车目前还存在里程焦虑。冬季特别是风雪天气，温度降到零下几十度，电池容量下降，行驶里程缩短。偶尔还有燃烧爆炸事故发生。我认为随着燃料电池车技术的进步，燃料电池车可以进入乘用车领域，特比是在北方冬天优势更突出，如这次北京冬奥会用车，均以燃料电池车为主。在南方燃料电池车在城际间运行有优势。总的看这二种车互补大于竞争。科技：氢燃料电池汽车能否替代传统燃油汽车以及纯电汽车成为新能源汽车的主力军？您认为它未来的发展趋势如何？衣宝廉：将来随着技术进步，各种动力的车是互补的，适用的检测标准是碳排放量和环境适应性，不存在谁替代谁的问题。如燃油车要使用的燃油是由回收二氧化碳与绿氢制备，也有优势，特别是军车。发展纯氢管道输氢迫在眉睫示范城市群为燃料电池提供市场科技：氢能的储运目前面临着较大的技术难题，成本也相对较高，您认为在氢的储运方面，未来需要在哪些方面加强技术攻关？衣宝廉：氢的储运在国内要发展纯氢管道输氢，它特别适用于海上风电制氢，将纯氢输送至陆地储存。也适合用绿氢制备绿氨、甲醇，合成油等工厂。对短距离百公里以内采用列管车输送。但要依据技术进步逐步提高容器的压力，提高输送效率和降低运费。长距离输送最优是天气管网参氢，国际规定氢浓度是20%，我国以达到24%，在用氢的地方，采用膜分离提取纯氢。还可以将氢液化，运输液氢。但氢液化能耗高。海上输送以液氢，氨，液体储氢如甲苯加氢为甲基环己烷，液体装船，在用地，再将甲基环己烷变为纯氢和甲苯。科技：在燃料电池技术和研发上，我国与日本等国还存在较大差距，这种差距的核心问题是什么？该如何解决，促进氢燃料电池汽车规模化落地？衣宝廉：燃料电池发现至今已一个多世纪。我国是依据国家需求即燃料电池比能量高，特别适用于航天飞船上动力源，开始搞燃料电池研究的。整体工作是以电堆为核心，依据需求构建燃料电池发电系统。因此在材料和机理研究起步晚。总的看来，与日本相比，我们在燃料电池堆方面，比功率与可靠性稍低，在系统方面，我们在低温启动，余热利用，高温排热等有优势。但在关键部件如空压机，氢气压缩机，氢气循环泵等有差距。我们在示范同时，要强调加强基础研究，消除深层次的卡脖子技术如制备高压氢气四型瓶的朔料内胆树脂，高强碳纤维，瓶口组合阀等。电池用的低氢渗透率，高强度和高电导的增强复合膜等。燃料电池发动机降低成本依靠二方面技术突破：一是实现批量生产，但目前地方政府的财政难于支持大量购买燃料电池车！国家应该扩展示范城市群，推动燃料电池关键材料与部件量产！二是技术进步，主要是提高电堆的比功率和提高并延长燃料电池发动机可靠性与寿命！现在燃料电池堆的工作电流密度是二安培左右吧，力争逐步提高到四安培，为此要改进流场，提高电池工作温度，减薄扩散层，利用薄的增强复合膜，降低催化层氧传质阻力，提高铂的利用率。还可以进一步将电流密度提高到五安培以上，将电堆售价降到五百元以下。科技：在2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢能的三大「战略定位」。北上广等超过20个城市制定了氢能产业发展规划，都在试图抢占氢能产业发展的制高点，您如何看待各地发展氢能的热情？衣宝廉：大量城市制定氢能发展规划反应他们在实现双碳目标上紧跟中央，并有想法。但要注意目前生产绿氢，成本还是高的，产品销售是否能跟上。比如燃料电池车，都在搞，用大量正府补贴推动发展，能否持久。我建议国家扩大示范城市群，为燃料电池部件和材料批量生产提供市场。关键材料与部件在各城市群有个分工，攻克深层次卡脖子材料。科技：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：一是抓示范城市群，并适当扩大，推动关键材料与部件批量生产。二是加强基础研究，进一步提高电堆比功率和燃料电池发动机比能量。加强基础材料研究，攻克深层次卡脖子问题。发展高温膜，将氢燃料电池工作温度提高到一百以上，消除二相流，提高电堆内单池一致性。研发高储氢容量的储氢材料，代替高压储氢瓶，进一步提高燃料电池车的安全性。科技：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：可以介入，但要生产整车与技术研发并举，逐步提高车的水平。最好能与研究所或高校合作。科技：起初，燃料电池的研发之路并不顺畅，期间（1978年）曾受国家重大项目的调整而被迫中断，直到再次恢复研发，您是否想过放弃？是什么（动力）让您数十年如一日，坚持这项研究的？衣宝廉：当时，采用燃料电池做为飞船上电力的美国阿波罗飞船已登月，采用燃料电池作为辅助动力的德国AIP潜艇已试航成功，在水下可以潜航半个月。我们任务已做成千瓦级碱性石棉膜型燃料电池系统并通过一千小时无人稳定运行，做完航天环境模拟实验。我当时认为燃料电池是新技术对国家有用，我们应保留少量人员做下去。总之，我认为燃料电池已有较好基础，对国家有用，应该坚持下去。科技：您觉得作为一名科研人员，应该具备怎样的品质与精神？衣宝廉：依据国家需要和自己基础选摘任务，遇到困难不退缩，坚持下去，直至成功。
本信息由网络用户发布，本站只提供信息展示，内容详情请与官方联系确认。
