衣宝廉：中国燃料电池研究的开拓者

王圣媛+刘红伟

早在20世纪60年代，中国就已经开始开展燃料电池方面的研究，至今在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了多项突破。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术的迅速发展，开发出20Kw、50Kw、60kW、75kW、100kW等多种规格的质子交换膜燃料电池堆，中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。

中国燃料电池技术的迅猛发展，本文的主人公功不可没。

20世纪70年代，他参加并领导了航天碱性燃料电池系统的研究；

80年代，他将燃料电池技术应用于水溶液电解工业节能和电化学传感器；

90年代，作为科技部“九五”攻关和中国科学院重大项目“燃料电池技术”的负责人，他组织领导了质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的研究，在质子交换膜燃料电池技术方面取得突破性进展并形成自主知识产权；

“十五”“十一五”期间，他指导城市客车与轿车用燃料电池系统的研发，研制的燃料电池发动机已成功应用于北京奥运会和上海世博会示范运行的燃料电池客车与轿车；

此外，他还积极推动大连化物所与国内知名企业联合成立了新源动力股份有限公司，开发批量生产技术并开拓市场。

…………

他就是—

衣宝廉，中国工程院院士，中国燃料电池研究的开拓者，燃料电池国家工程中心总工程师，大连新源动力股份有限公司名誉董事长，国家863计划“十五”“电动汽车重大专项”、“十一五”“节能与新能源汽车”总体专家组成员、燃料电池发动机责任专家。

与催化研究的不解之缘

1938年5月，衣宝廉出生于辽宁省辽阳市。父母是地地道道的农民，靠种菜支撑着整个家庭的生活。父母勤劳、朴实、忠厚、诚实的性格和品质，从小对他未来的学习及成长产生了重要的影响。

1957年，衣宝廉从辽阳市第一高中毕业，以优异的成绩考取了东北人民大学（1958年更名为吉林大学），被该校化学系录取，学习的是物理化学专业。

“大学前两年，我基本上是处于三点一线的生活状态，每天往返于宿舍、自习室、图书馆，除了不断巩固提升本专业知识水平之外，还选修其他人文类课程，广泛涉猎各门类的学科知识。”衣宝廉回忆道。

1961年，一场震惊世界的历史性事件爆发，大大激发了衣宝廉探索未来科学王国的信心与决心。

那年的4月12日，苏联宇航员加加林身负90余公斤重的太空服，乘坐重达4.75吨的“东方号”宇宙飞船顺利登入太空，在历时1小时48分钟的飞行之后，于当日上午10时55分在苏联境内安全着陆。从此，加加林成为世界第一位进入宇宙空间并看到地球全貌的人。

这次载人航天的壮举，给衣宝廉带来了一次强烈的心灵震撼。

“物理化学专业本身就与载人航天工程密不可分，我当时就坚信，中国的载人航天工程也一定能够早日实现。”衣宝廉表示。

1962年，衣宝廉大学毕业。这一年，我国著名的物理化学家郭燮贤恰好被调入中国科学院大连化学物理研究所（简称：大连化物所）工作，并担任催化基础研究课题组组长。早在上世纪50年代，郭先生就开始从事催化化学领域的研究，取得了多项丰硕成果，为推动我国催化研究向更高水平发展做出了突出贡献。衣宝廉慕名考入大连化物所做研究生，师从郭燮贤院士，深入学习催化化学。

1969年，衣宝廉经历了人生的又一次重大转折。

研究生毕业的他，继续留在了大连化物所，专门从事与催化学科的相关的柴油机尾气净化研究工作。就在那时，美国宇航局正在紧锣密鼓地推进“阿波罗登月计划”，并最终于1969年7月16日成功发射载人登月的阿波罗11号飞船，再次完成了人类历史上的一次航天壮举。

“一直以来，载人航天都是人类的一大梦想。”衣宝廉表示，“要实现这一梦想的关键条件之一，就是除了要有足够的推力将巨大的航天器送入太空外，飞行器上还要有充足的电力，确保各种仪器正常工作和航天员的日常生活。当时，阿波罗航天器上用的是碱性燃料电池。”

燃料电池的研制，一时间成为世界各国的热门科学研究之一。

上世纪60年代中后期，党中央举全国之力启动了伟大的载人航天工程。当时，从全国组织了一大批各个相关领域的科研人员进行技术攻关。衣宝廉所从事的催化化学研究有了用武之地。由于衣宝廉当时主要从事的是碱性燃料电池催化剂的研究，他就被调入了新成立的航天氢氧燃料电池组工作，专门研究如何为航天器提供安全可靠的动力—碱性燃料电池。

1969年，衣宝廉随同大连化物所领导一起前往北京，在京西宾馆参加了载人航天飞船“曙光一号”主电源燃料电池的研究研讨会。在当时参加该工程的科研人员中，衣宝廉是最年轻的研究顾问，这对他来说既是一种机遇，又是一种挑战。

回到大连后，大连化物所专门成立了燃料电池攻关课题组，由朱葆琳和袁权院士负责牵头。在没有资料、缺乏经验和设备的条件下，他们开始了航天氢氧燃料电池系统的科研攻关。

整个20世纪70年代，科研攻关团队与时间赛跑，克服各种不利条件，辛勤工作，艰苦攻关，开展了一系列航天电池系统的动态环境试验研究。作为该重大课题的主要参与人之一，衣宝廉也常常是废寝忘食，不辞劳苦，每天总是工作到很晚才休息。

功夫不负有心人。

1978年，我国第一台自主研发设计的碱性燃料电池最终通过了国家验收。

“可以说，在燃料电池的研制方面，我国从那时起开始与世界同步前进。在我们科研团队的艰苦努力下，该领域的研制能力和成果令世界同行刮目相看。”衣宝廉如是说。

推动燃料电池技术产业化

“受环境和化石能源储量有限的制约，人类最终将进入以氢为能量载体的氢能时代，燃料电池产业发展的全新时代将要来临。”衣宝廉表示，“在当今全球能源紧张、油价波动的时期，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。氢能的优势明显，清洁、高效，得到各国政府的大力支持，国际社会重新掀起了燃料电池的研发热情，加上能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。”

针对这一现状，衣宝廉撰写了在我国开展燃料电池研究的可行性报告，并上报给中国科学院与科技部。值得欣喜的是，该报告得到了领导的高度重视，相继推进了中国科学院重大任务和科技部“九五”攻关任务—燃料电池技术项目的启动。该攻关任务将质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为科研攻关的主方向。

1996年，在课题组历时1年的艰苦攻关下，我国第一台千瓦级质子交换膜燃料电池正式研制成功，相关产品技术指标达到国际先进水平。

2001年，课题组迎来了科技部与中国科学院联合组织的专家组的验收，专家组组长由著名电化学家、中国科学院院士查全性教授担任。查院士在验收会上表示，这一技术是“中国质子交换膜燃料电池的里程碑”。

一直以来，衣宝廉对燃料电池的应用前景寄予着厚望。

“燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气或煤气与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。而质子交换膜燃料电池作为氢能到电能的转化装置，可以为家庭、车辆和工具等提供源源不断的‘动力源。”衣宝廉表示。

据他介绍，这种电池的燃料是氢气和氧气，发电时将氢气和氧气输入电池，氢在负极电催化剂的作用下产生电子与氢离子，氧在正极电催化剂作用下与通过离子膜传导过来的氢离子和电子反应生成水，电子在电池的正负两极之间进行流动，产生电流。这样，燃料中的化学能就转化为了电能并输出，而排放出来的却是对环境毫无污染的水。

与常规电池相比，它只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电流输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。

“有朝一日，人们一定会体会到燃料电池带来的环保、便捷、舒适和快乐。”衣宝廉坚定地说。

1999年，衣宝廉连续3次上报科技部，申请燃料电池电动汽车的专项研究课题。同年10月，课题组携质子交换膜燃料电池方面的研究成果，参加了在深圳举行的首届中国高新技术交易博览会，成果一亮相立即引起了国内外知名企业的高度关注。

大会结束后，美国通用、日本丰田以及国内的南孚、春兰、南都、长城电工、新大洲等数十家公司先后赶赴大连，向衣宝廉了解情况，洽谈合作事宜。

2000年，衣宝廉开始萌生一种新的想法—推动中国燃料电池技术的迅速产业化。

那一年，大连化物所成立了公司筹备组，决定成立股份制公司，在与国内专业生产厂商数轮洽谈之后，2001年4月，大连化物所与兰州长城电工、大连盛道、海南新大洲三家上市公司以及杭州南都、安徽天城等共同出资，成立了大连新源动力股份有限公司（简称：新源动力），衣宝廉担任该公司董事长。

在衣宝廉的带领下，新源动力的研发、管理团队先后承担并完成了多项国家重点项目、省市重大项目，形成了自主知识产权专利技术，涵盖了质子交换膜燃料电池关键材料、关键部件、电堆和电池系统各个层面，技术水平国内领先，部分关键技术已达到国际一流水平。

“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”的建成，更是为打造我国燃料电池技术创新的源发地、技术转化中心、人才培养中心及国际燃料电池技术交流中心，加快我国燃料电池技术产业化进程，促进燃料电池及相关产业的跨越式发展奠定了坚实的基础。

中心作为振兴东北老工业基地之“创新能力建设项目”于2004年2月获得国家发改委批准立项；2005年，项目方案通过专家评审及风险评估；2006年10月，项目获国家发改委正式授牌。

项目以新源动力作为承建单位，以大连化物所为技术支持单位，依托二者在燃料电池及氢能利用技术方面科研成果和产业化推广的经验，根据产业战略发展的需要和市场需求，针对燃料电池产业发展的寿命、成本、性能等核心共性问题，集中在汽车、小型电站、移动电源等应用目标领域，致力于实现核心产业技术突破，增强我国在燃料电池产业的核心竞争能力。

近年来，新源动力在燃料电池电动车领域取得了多项阶段性成果：一是配合大连化物所与二汽集团所进行的电动汽车装车实验，开创了国内燃料电池动力源电动汽车先例，并自主研制成功中国第一辆氢—空燃料电池混合动力中巴车；二是承担国家863重大专项燃料电池电动轿车发动机技术开发及测试技术平台建设，该专项建设被列入了国家“十一五”发展规划。三是上海汽车集团控股新源动力，为上汽研制、生产车用燃料电池发动机，上汽采用新源燃料电池发动机的轿车圆满完成上海世博会的示范任务；组装了荣威750轿车，参加完成了2014年新能源车的“创新征程”。

新源动力通过推行现代化生产管理模式，在国内率先实现了燃料电池实验室科研成果向现实生产力的转化。如今，公司是国家燃料电池技术标准制定的副主任委员单位，“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”承建单位，燃料电池中试基地，生产、测试装备齐全，已实现燃料电池关键材料及关键部件、电堆组装的产业化布局和10000kW/年的产能建设。

燃料电池发展任重而道远

“目前国产燃料电池的一些关键材料，例如隔膜、炭纸等产品的很多性能指标已达到甚至优于国际水平，但批量生产线的研发投入不足，希望国家和有实力的企业能关注这方面的投资投入，建立示范生产线，尽快实现燃料电池关键材料的国产化，为燃料电池商业化奠定基础。”

2014年5月15～16日，由中国汽车技术研究中心主办的“2014国际电动汽车及部件测评研讨会”在江苏常州举行，衣宝廉受邀参加并作专题报告时表示。

衣宝廉同时指出，目前国际上燃料电池发动机在功率密度、使用寿命、低温环境适应性等方面已经基本达到传统内燃机水平或者满足商用要求，目前最核心的问题就是建立电堆，电池系统与燃料电池车的自动化生产线，同时降低铂的用量，特别是非铂催化剂的采用。

据他介绍，国际上燃料电池汽车的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段是2005—2012年，主要工作内容是功率密度和循环寿命的提升，目前体积比功率已经达到2～3kW/L，达到传统内燃机的（体积）水平，燃料电池寿命达到5000h（大巴车达到10000h），满足美国能源部5000h以上的寿命要求；低温环境适应性同时提高，可适应零下30℃，车辆储存与启动达到传统车水平；基于70MPa储氢技术，续驶里程达到传统燃料车水平，加氢时间也仅需几分钟。

第二阶段是2013年以来，以降低成本为研究内容，主要是减少铂金属的用量，特别是采用非铂催化剂。关于铂的用量，目前国际上已经从1.0g/kW降低到0.3～0.2g/kW，未来可能降到0.1g/kW，最终如果降到相当于汽车尾气净化器中铂的用量，燃料电池将迎来大规模商业化阶段。

第三阶段是2015年，国际燃料电池实现初期商业化。日本丰田、韩国现代已开始销售燃料电池轿车，售价稍高于汽油车和锂电池车。

“我国从‘十五开始燃料电池汽车研发，在科技部部长万钢的指导下，选择了燃料电池加二次电池（超级电容器）的电—电混合技术路线，并有200余辆燃料电池汽车投入示范运行考核，累计运行里程超过10万公里，目前性能与国际水平接近，但成本和耐久性等亟待改善。”他以新源动力的燃料电池为例，指出我国的燃料电池已经发展到第三代，在前两代着重关注性能和成本的基础上，第三代开始关注提高电堆的可靠性与耐久性，成本的降低，其中关键材料国产化率的提高将是降低成本的关键。

“我国燃料电池汽车整体上跟随国际发展步伐，但在关键材料规模化生产以及电堆的可靠性与耐久性方面还存在一定差距。”衣宝廉建议未来几年，国内燃料电池发动机和整车生产企业应该在以下六个方面加大力度：

1.加大燃料电池关键材料（膜、炭纸、催化剂、MEA、双极板等）批量生产线的资助力度与研发投入，实现关键材料国产化，为燃料电池商业化奠定基础；

2.强化电堆可靠性与耐久性的研究，为燃料电池发动机寿命达到5000―10000小时奠定基础。

3.促进燃料电池过程研究结果与整车生产单位的融合，把抑制衰减过程的措施落到实处，进一步深入研究阳极水管理过程、低温启动、系统模块化、提高燃料电池可靠性与寿命；

4.发展燃料电池发动机寿命快速评价方法，推进加氢站建设和燃料电池汽车的示范运行，以示范带动技术链与产业链的发展；

5.薄金属双极板表面改性，70MPa氢瓶、空压机、加氢站的建设是燃料电池商业化必须攻克而又很艰巨的任务；

6.超低铂、非铂催化剂和电极的开发与实用是艰巨而长久的任务。

“从国际范围来看，燃料电池汽车已渡过技术开发阶段，进入商业化导入阶段。限制燃料电池车大规模商业化的问题有两件事情：一个是加氢站的建设，一个是进一步提高燃料电池的可靠性和耐久性，同时降低贵金属铂的用量，进一步降低成本。”

2015年7月2日，中国电动汽车百人会“学术沙龙”第一期活动在清华大学举行。本期沙龙以“燃料电池技术在中国的应用与产业化”为主题，衣宝廉以中国电动汽车百人会学术委员会委员的身份，受邀参加沙龙并就我国燃料电池的发展进行了如上分析。

燃料电池汽车什么时候才能商业化？衣宝廉认为，“现在是进入燃料电池车研发最好时机，但燃料电池车要实现盈利至少要5年以后，5年之内我认为如果没有国家的补助是没办法搞的，5年以后国家的补助能不能撤销还不好说，但是肯定在5年之内燃料电池汽车盈利的空间是很小的。”

“尽管现在燃料电池的市场需求有限，但发展前景值得看好。”衣宝廉最后表示，“预计2015—2020年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。另外，在国家的大力支持下，加强与世界其他国家的合作，在2020—2025年我们应该能突破这些关键技术，使燃料电池车能进入S型曲线的起始阶段，然而大幅度的产业化推广估计要在2025—2030年间。”