衣寶廉：中國燃料電池研究的開拓者

王圣媛+劉紅偉

早在20世紀(jì)60年代，中國就已經(jīng)開始開展燃料電池方面的研究，至今在燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新方面取得了多項突破。燃料電池技術(shù)特別是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的迅速發(fā)展，開發(fā)出20Kw、50Kw、60kW、75kW、100kW等多種規(guī)格的質(zhì)子交換膜燃料電池堆，中國的燃料電池技術(shù)跨入世界先進(jìn)國家行列。

中國燃料電池技術(shù)的迅猛發(fā)展，本文的主人公功不可沒。

20世紀(jì)70年代，他參加并領(lǐng)導(dǎo)了航天堿性燃料電池系統(tǒng)的研究；

80年代，他將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于水溶液電解工業(yè)節(jié)能和電化學(xué)傳感器；

90年代，作為科技部“九五”攻關(guān)和中國科學(xué)院重大項目“燃料電池技術(shù)”的負(fù)責(zé)人，他組織領(lǐng)導(dǎo)了質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池的研究，在質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展并形成自主知識產(chǎn)權(quán)；

“十五”“十一五”期間，他指導(dǎo)城市客車與轎車用燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)，研制的燃料電池發(fā)動機已成功應(yīng)用于北京奧運會和上海世博會示范運行的燃料電池客車與轎車；

此外，他還積極推動大連化物所與國內(nèi)知名企業(yè)聯(lián)合成立了新源動力股份有限公司，開發(fā)批量生產(chǎn)技術(shù)并開拓市場。

…………

他就是—

衣寶廉，中國工程院院士，中國燃料電池研究的開拓者，燃料電池國家工程中心總工程師，大連新源動力股份有限公司名譽董事長，國家863計劃“十五”“電動汽車重大專項”、“十一五”“節(jié)能與新能源汽車”總體專家組成員、燃料電池發(fā)動機責(zé)任專家。

與催化研究的不解之緣

1938年5月，衣寶廉出生于遼寧省遼陽市。父母是地地道道的農(nóng)民，靠種菜支撐著整個家庭的生活。父母勤勞、樸實、忠厚、誠實的性格和品質(zhì)，從小對他未來的學(xué)習(xí)及成長產(chǎn)生了重要的影響。

1957年，衣寶廉從遼陽市第一高中畢業(yè)，以優(yōu)異的成績考取了東北人民大學(xué)（1958年更名為吉林大學(xué)），被該校化學(xué)系錄取，學(xué)習(xí)的是物理化學(xué)專業(yè)。

“大學(xué)前兩年，我基本上是處于三點一線的生活狀態(tài)，每天往返于宿舍、自習(xí)室、圖書館，除了不斷鞏固提升本專業(yè)知識水平之外，還選修其他人文類課程，廣泛涉獵各門類的學(xué)科知識。”衣寶廉回憶道。

1961年，一場震驚世界的歷史性事件爆發(fā)，大大激發(fā)了衣寶廉探索未來科學(xué)王國的信心與決心。

那年的4月12日，蘇聯(lián)宇航員加加林身負(fù)90余公斤重的太空服，乘坐重達(dá)4.75噸的“東方號”宇宙飛船順利登入太空，在歷時1小時48分鐘的飛行之后，于當(dāng)日上午10時55分在蘇聯(lián)境內(nèi)安全著陸。從此，加加林成為世界第一位進(jìn)入宇宙空間并看到地球全貌的人。

這次載人航天的壯舉，給衣寶廉帶來了一次強烈的心靈震撼。

“物理化學(xué)專業(yè)本身就與載人航天工程密不可分，我當(dāng)時就堅信，中國的載人航天工程也一定能夠早日實現(xiàn)。”衣寶廉表示。

1962年，衣寶廉大學(xué)畢業(yè)。這一年，我國著名的物理化學(xué)家郭燮賢恰好被調(diào)入中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（簡稱：大連化物所）工作，并擔(dān)任催化基礎(chǔ)研究課題組組長。早在上世紀(jì)50年代，郭先生就開始從事催化化學(xué)領(lǐng)域的研究，取得了多項豐碩成果，為推動我國催化研究向更高水平發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。衣寶廉慕名考入大連化物所做研究生，師從郭燮賢院士，深入學(xué)習(xí)催化化學(xué)。

1969年，衣寶廉經(jīng)歷了人生的又一次重大轉(zhuǎn)折。

研究生畢業(yè)的他，繼續(xù)留在了大連化物所，專門從事與催化學(xué)科的相關(guān)的柴油機尾氣凈化研究工作。就在那時，美國宇航局正在緊鑼密鼓地推進(jìn)“阿波羅登月計劃”，并最終于1969年7月16日成功發(fā)射載人登月的阿波羅11號飛船，再次完成了人類歷史上的一次航天壯舉。

“一直以來，載人航天都是人類的一大夢想。”衣寶廉表示，“要實現(xiàn)這一夢想的關(guān)鍵條件之一，就是除了要有足夠的推力將巨大的航天器送入太空外，飛行器上還要有充足的電力，確保各種儀器正常工作和航天員的日常生活。當(dāng)時，阿波羅航天器上用的是堿性燃料電池。”

燃料電池的研制，一時間成為世界各國的熱門科學(xué)研究之一。

上世紀(jì)60年代中后期，黨中央舉全國之力啟動了偉大的載人航天工程。當(dāng)時，從全國組織了一大批各個相關(guān)領(lǐng)域的科研人員進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。衣寶廉所從事的催化化學(xué)研究有了用武之地。由于衣寶廉當(dāng)時主要從事的是堿性燃料電池催化劑的研究，他就被調(diào)入了新成立的航天氫氧燃料電池組工作，專門研究如何為航天器提供安全可靠的動力—堿性燃料電池。

1969年，衣寶廉隨同大連化物所領(lǐng)導(dǎo)一起前往北京，在京西賓館參加了載人航天飛船“曙光一號”主電源燃料電池的研究研討會。在當(dāng)時參加該工程的科研人員中，衣寶廉是最年輕的研究顧問，這對他來說既是一種機遇，又是一種挑戰(zhàn)。

回到大連后，大連化物所專門成立了燃料電池攻關(guān)課題組，由朱葆琳和袁權(quán)院士負(fù)責(zé)牽頭。在沒有資料、缺乏經(jīng)驗和設(shè)備的條件下，他們開始了航天氫氧燃料電池系統(tǒng)的科研攻關(guān)。

整個20世紀(jì)70年代，科研攻關(guān)團(tuán)隊與時間賽跑，克服各種不利條件，辛勤工作，艱苦攻關(guān)，開展了一系列航天電池系統(tǒng)的動態(tài)環(huán)境試驗研究。作為該重大課題的主要參與人之一，衣寶廉也常常是廢寢忘食，不辭勞苦，每天總是工作到很晚才休息。

功夫不負(fù)有心人。

1978年，我國第一臺自主研發(fā)設(shè)計的堿性燃料電池最終通過了國家驗收。

“可以說，在燃料電池的研制方面，我國從那時起開始與世界同步前進(jìn)。在我們科研團(tuán)隊的艱苦努力下，該領(lǐng)域的研制能力和成果令世界同行刮目相看。”衣寶廉如是說。

推動燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

“受環(huán)境和化石能源儲量有限的制約，人類最終將進(jìn)入以氫為能量載體的氫能時代，燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全新時代將要來臨。”衣寶廉表示，“在當(dāng)今全球能源緊張、油價波動的時期，尋找新能源作為化石燃料的替代品是當(dāng)務(wù)之急。氫能的優(yōu)勢明顯，清潔、高效，得到各國政府的大力支持，國際社會重新掀起了燃料電池的研發(fā)熱情，加上能源動力企業(yè)對燃料電池的發(fā)展信心十足，燃料電池未來市場將有巨大的上升空間。”

針對這一現(xiàn)狀，衣寶廉撰寫了在我國開展燃料電池研究的可行性報告，并上報給中國科學(xué)院與科技部。值得欣喜的是，該報告得到了領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，相繼推進(jìn)了中國科學(xué)院重大任務(wù)和科技部“九五”攻關(guān)任務(wù)—燃料電池技術(shù)項目的啟動。該攻關(guān)任務(wù)將質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為科研攻關(guān)的主方向。

1996年，在課題組歷時1年的艱苦攻關(guān)下，我國第一臺千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池正式研制成功，相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2001年，課題組迎來了科技部與中國科學(xué)院聯(lián)合組織的專家組的驗收，專家組組長由著名電化學(xué)家、中國科學(xué)院院士查全性教授擔(dān)任。查院士在驗收會上表示，這一技術(shù)是“中國質(zhì)子交換膜燃料電池的里程碑”。

一直以來，衣寶廉對燃料電池的應(yīng)用前景寄予著厚望。

“燃料電池發(fā)電是在一定條件下使H2、天然氣或煤氣與氧化劑（空氣中的O2）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能的過程。而質(zhì)子交換膜燃料電池作為氫能到電能的轉(zhuǎn)化裝置，可以為家庭、車輛和工具等提供源源不斷的‘動力源。”衣寶廉表示。

據(jù)他介紹，這種電池的燃料是氫氣和氧氣，發(fā)電時將氫氣和氧氣輸入電池，氫在負(fù)極電催化劑的作用下產(chǎn)生電子與氫離子，氧在正極電催化劑作用下與通過離子膜傳導(dǎo)過來的氫離子和電子反應(yīng)生成水，電子在電池的正負(fù)兩極之間進(jìn)行流動，產(chǎn)生電流。這樣，燃料中的化學(xué)能就轉(zhuǎn)化為了電能并輸出，而排放出來的卻是對環(huán)境毫無污染的水。

與常規(guī)電池相比，它只要有燃料和氧化劑供給，就會有持續(xù)不斷的電流輸出。與常規(guī)的火力發(fā)電不同，它不受卡諾循環(huán)（由兩個絕熱過程和兩個等溫過程構(gòu)成的循環(huán)過程）的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高。

“有朝一日，人們一定會體會到燃料電池帶來的環(huán)保、便捷、舒適和快樂。”衣寶廉堅定地說。

1999年，衣寶廉連續(xù)3次上報科技部，申請燃料電池電動汽車的專項研究課題。同年10月，課題組攜質(zhì)子交換膜燃料電池方面的研究成果，參加了在深圳舉行的首屆中國高新技術(shù)交易博覽會，成果一亮相立即引起了國內(nèi)外知名企業(yè)的高度關(guān)注。

大會結(jié)束后，美國通用、日本豐田以及國內(nèi)的南孚、春蘭、南都、長城電工、新大洲等數(shù)十家公司先后趕赴大連，向衣寶廉了解情況，洽談合作事宜。

2000年，衣寶廉開始萌生一種新的想法—推動中國燃料電池技術(shù)的迅速產(chǎn)業(yè)化。

那一年，大連化物所成立了公司籌備組，決定成立股份制公司，在與國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)廠商數(shù)輪洽談之后，2001年4月，大連化物所與蘭州長城電工、大連盛道、海南新大洲三家上市公司以及杭州南都、安徽天城等共同出資，成立了大連新源動力股份有限公司（簡稱：新源動力），衣寶廉擔(dān)任該公司董事長。

在衣寶廉的帶領(lǐng)下，新源動力的研發(fā)、管理團(tuán)隊先后承擔(dān)并完成了多項國家重點項目、省市重大項目，形成了自主知識產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，涵蓋了質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料、關(guān)鍵部件、電堆和電池系統(tǒng)各個層面，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，部分關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到國際一流水平。

“燃料電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心”的建成，更是為打造我國燃料電池技術(shù)創(chuàng)新的源發(fā)地、技術(shù)轉(zhuǎn)化中心、人才培養(yǎng)中心及國際燃料電池技術(shù)交流中心，加快我國燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，促進(jìn)燃料電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

中心作為振興東北老工業(yè)基地之“創(chuàng)新能力建設(shè)項目”于2004年2月獲得國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項；2005年，項目方案通過專家評審及風(fēng)險評估；2006年10月，項目獲國家發(fā)改委正式授牌。

項目以新源動力作為承建單位，以大連化物所為技術(shù)支持單位，依托二者在燃料電池及氫能利用技術(shù)方面科研成果和產(chǎn)業(yè)化推廣的經(jīng)驗，根據(jù)產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展的需要和市場需求，針對燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壽命、成本、性能等核心共性問題，集中在汽車、小型電站、移動電源等應(yīng)用目標(biāo)領(lǐng)域，致力于實現(xiàn)核心產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破，增強我國在燃料電池產(chǎn)業(yè)的核心競爭能力。

近年來，新源動力在燃料電池電動車領(lǐng)域取得了多項階段性成果：一是配合大連化物所與二汽集團(tuán)所進(jìn)行的電動汽車裝車實驗，開創(chuàng)了國內(nèi)燃料電池動力源電動汽車先例，并自主研制成功中國第一輛氫—空燃料電池混合動力中巴車；二是承擔(dān)國家863重大專項燃料電池電動轎車發(fā)動機技術(shù)開發(fā)及測試技術(shù)平臺建設(shè)，該專項建設(shè)被列入了國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃。三是上海汽車集團(tuán)控股新源動力，為上汽研制、生產(chǎn)車用燃料電池發(fā)動機，上汽采用新源燃料電池發(fā)動機的轎車圓滿完成上海世博會的示范任務(wù)；組裝了榮威750轎車，參加完成了2014年新能源車的“創(chuàng)新征程”。

新源動力通過推行現(xiàn)代化生產(chǎn)管理模式，在國內(nèi)率先實現(xiàn)了燃料電池實驗室科研成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化。如今，公司是國家燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定的副主任委員單位，“燃料電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心”承建單位，燃料電池中試基地，生產(chǎn)、測試裝備齊全，已實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料及關(guān)鍵部件、電堆組裝的產(chǎn)業(yè)化布局和10000kW/年的產(chǎn)能建設(shè)。

燃料電池發(fā)展任重而道遠(yuǎn)

“目前國產(chǎn)燃料電池的一些關(guān)鍵材料，例如隔膜、炭紙等產(chǎn)品的很多性能指標(biāo)已達(dá)到甚至優(yōu)于國際水平，但批量生產(chǎn)線的研發(fā)投入不足，希望國家和有實力的企業(yè)能關(guān)注這方面的投資投入，建立示范生產(chǎn)線，盡快實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化，為燃料電池商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。”

2014年5月15～16日，由中國汽車技術(shù)研究中心主辦的“2014國際電動汽車及部件測評研討會”在江蘇常州舉行，衣寶廉受邀參加并作專題報告時表示。

衣寶廉同時指出，目前國際上燃料電池發(fā)動機在功率密度、使用壽命、低溫環(huán)境適應(yīng)性等方面已經(jīng)基本達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機水平或者滿足商用要求，目前最核心的問題就是建立電堆，電池系統(tǒng)與燃料電池車的自動化生產(chǎn)線，同時降低鉑的用量，特別是非鉑催化劑的采用。

據(jù)他介紹，國際上燃料電池汽車的發(fā)展大致可分為三個階段：

第一階段是2005—2012年，主要工作內(nèi)容是功率密度和循環(huán)壽命的提升，目前體積比功率已經(jīng)達(dá)到2～3kW/L，達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機的（體積）水平，燃料電池壽命達(dá)到5000h（大巴車達(dá)到10000h），滿足美國能源部5000h以上的壽命要求；低溫環(huán)境適應(yīng)性同時提高，可適應(yīng)零下30℃，車輛儲存與啟動達(dá)到傳統(tǒng)車水平；基于70MPa儲氫技術(shù)，續(xù)駛里程達(dá)到傳統(tǒng)燃料車水平，加氫時間也僅需幾分鐘。

第二階段是2013年以來，以降低成本為研究內(nèi)容，主要是減少鉑金屬的用量，特別是采用非鉑催化劑。關(guān)于鉑的用量，目前國際上已經(jīng)從1.0g/kW降低到0.3～0.2g/kW，未來可能降到0.1g/kW，最終如果降到相當(dāng)于汽車尾氣凈化器中鉑的用量，燃料電池將迎來大規(guī)模商業(yè)化階段。

第三階段是2015年，國際燃料電池實現(xiàn)初期商業(yè)化。日本豐田、韓國現(xiàn)代已開始銷售燃料電池轎車，售價稍高于汽油車和鋰電池車。

“我國從‘十五開始燃料電池汽車研發(fā)，在科技部部長萬鋼的指導(dǎo)下，選擇了燃料電池加二次電池（超級電容器）的電—電混合技術(shù)路線，并有200余輛燃料電池汽車投入示范運行考核，累計運行里程超過10萬公里，目前性能與國際水平接近，但成本和耐久性等亟待改善。”他以新源動力的燃料電池為例，指出我國的燃料電池已經(jīng)發(fā)展到第三代，在前兩代著重關(guān)注性能和成本的基礎(chǔ)上，第三代開始關(guān)注提高電堆的可靠性與耐久性，成本的降低，其中關(guān)鍵材料國產(chǎn)化率的提高將是降低成本的關(guān)鍵。

“我國燃料電池汽車整體上跟隨國際發(fā)展步伐，但在關(guān)鍵材料規(guī)模化生產(chǎn)以及電堆的可靠性與耐久性方面還存在一定差距。”衣寶廉建議未來幾年，國內(nèi)燃料電池發(fā)動機和整車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該在以下六個方面加大力度：

1.加大燃料電池關(guān)鍵材料（膜、炭紙、催化劑、MEA、雙極板等）批量生產(chǎn)線的資助力度與研發(fā)投入，實現(xiàn)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化，為燃料電池商業(yè)化奠定基礎(chǔ)；

2.強化電堆可靠性與耐久性的研究，為燃料電池發(fā)動機壽命達(dá)到5000―10000小時奠定基礎(chǔ)。

3.促進(jìn)燃料電池過程研究結(jié)果與整車生產(chǎn)單位的融合，把抑制衰減過程的措施落到實處，進(jìn)一步深入研究陽極水管理過程、低溫啟動、系統(tǒng)模塊化、提高燃料電池可靠性與壽命；

4.發(fā)展燃料電池發(fā)動機壽命快速評價方法，推進(jìn)加氫站建設(shè)和燃料電池汽車的示范運行，以示范帶動技術(shù)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展；

5.薄金屬雙極板表面改性，70MPa氫瓶、空壓機、加氫站的建設(shè)是燃料電池商業(yè)化必須攻克而又很艱巨的任務(wù)；

6.超低鉑、非鉑催化劑和電極的開發(fā)與實用是艱巨而長久的任務(wù)。

“從國際范圍來看，燃料電池汽車已渡過技術(shù)開發(fā)階段，進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入階段。限制燃料電池車大規(guī)模商業(yè)化的問題有兩件事情：一個是加氫站的建設(shè)，一個是進(jìn)一步提高燃料電池的可靠性和耐久性，同時降低貴金屬鉑的用量，進(jìn)一步降低成本。”

2015年7月2日，中國電動汽車百人會“學(xué)術(shù)沙龍”第一期活動在清華大學(xué)舉行。本期沙龍以“燃料電池技術(shù)在中國的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化”為主題，衣寶廉以中國電動汽車百人會學(xué)術(shù)委員會委員的身份，受邀參加沙龍并就我國燃料電池的發(fā)展進(jìn)行了如上分析。

燃料電池汽車什么時候才能商業(yè)化？衣寶廉認(rèn)為，“現(xiàn)在是進(jìn)入燃料電池車研發(fā)最好時機，但燃料電池車要實現(xiàn)盈利至少要5年以后，5年之內(nèi)我認(rèn)為如果沒有國家的補助是沒辦法搞的，5年以后國家的補助能不能撤銷還不好說，但是肯定在5年之內(nèi)燃料電池汽車盈利的空間是很小的。”

“盡管現(xiàn)在燃料電池的市場需求有限，但發(fā)展前景值得看好。”衣寶廉最后表示，“預(yù)計2015—2020年間，隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，燃料電池的生產(chǎn)成本與使用成本將下降，競爭力提高，燃料電池潛在的市場將會逐步發(fā)展起來。另外，在國家的大力支持下，加強與世界其他國家的合作，在2020—2025年我們應(yīng)該能突破這些關(guān)鍵技術(shù)，使燃料電池車能進(jìn)入S型曲線的起始階段，然而大幅度的產(chǎn)業(yè)化推廣估計要在2025—2030年間。”