请百度搜索中国氢能汽车网关键词找到我们!

专家视角

中国燃料电池推动者——衣宝廉院士:60年燃料电池探索之路!

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2022-7-22     浏览次数:    

我们两大目的,一个是解决国家的能源安全问题,一个是提高我们国家空气的洁净度,解决环境问题。所以现在,我们要想做到碳中和,减少二氧化碳排放,一定要发展氢能,发展可再生能源。在关键时刻要有新技术出现。要勇敢地采用新技术。遇到新问题,不要觉得过去没接触就害怕,应该有一种敢碰硬的精神把它啃下来。”衣宝廉院士在《我是科学人》栏目专访时说道。本文整理了衣院士在采访中的发言。


这里是张家口崇礼区太子城,2022年冬季奥运会即将在这里举办。届时将有51个竞技项目在这里展开,数10万人汇聚在这里。这些正在试运行的公交车正是承担2022年冬奥会赛区交通运行的车辆,尽管看上去和普通公交车一样,但他们却不用加油、不排尾气、几乎没有噪音,这些正是能够实现无污染、零排放的氢氧燃料电池车。


衣院士:燃料电池车现在达到的水平和燃油车基本上在一个水平,加氢时间跟加油时间比较一致,司机开车的舒适性也跟燃油车比较相近,而且行驶里程也和燃油车一样。氢氧燃料电池车虽然与燃油车的性能极为相似,但作为新能源家族的汽车,它又与常见的锂离子电池车有着很大的区别。低温的时候,冬天零下负30~负40度锂离子电池车的流量就损失了1/3左右,也就是里程会缩短。而燃料电池车运行的时候不受环境影响,因为它自己有废热。而且我们还可以把废热供给车取暖,这样也不影响里程。因为不用开空调,用燃料电池的废热就可以给大客车取暖。所以现在,张家口的冬奥会是以燃料电池车为主的,因为它里程不缩短。


实际上氢氧燃料电池车在我国已经不是第一次出现在这样重大的场合。早在2008年北京奥运会、2010年上海世博会期间,氢氧燃料电池车就曾试运行过。而当时承担电池研制与应用的正是我国燃料电池技术的奠基者和开拓者之一,中国工程院院士衣宝廉。


衣院士:氢能作为一个能源载体,现在的地位逐渐上升,特别是在75次联大习主席承诺,我们到2030年要做到碳排放高峰,到2060年要做到碳中和。所以要想做到碳中和,就一定要发展氢能,发展可再生能源。


大力发展可再生能源,如今不仅是中国的目标,更是全世界的目标。而对于衣宝廉院士来说,开拓燃料电池这条新能源之路,他一走就是六十多年。不论周围环境如何改变,不论团队人员如何更换,衣宝廉都始终坚定不移。


衣院士:我认为燃料电池对国家有用,如果将来车是以锂离子电池和燃料电池车为主的时候,我们的环境会很好的。所以要想做出一件事情,一定要有吃苦精神。


衣宝廉口中的吃苦精神并不是随便说说,从小他就深知越是能吃苦才越能兑现自己的梦想。1938年,衣宝廉出生在辽阳的农村,父母亲都是勤勤恳恳的农民。从小衣宝廉就跟着父母下地干活,一家人靠给城市供给蔬菜生活。


衣院士:当时家里面并不希望我念多少书,所以我在小学和中学的时候,好多作业都是在干活当中写的。在地上做数学呀、学写字啊,都是在大地上做的。


正是因为经常穿梭在城市与乡村之间,衣宝廉认识到,想要获得更多的见识,得到更好的生活,就必须考上大学。于是本就天资聪颖的他更加努力学习。


衣院士:我在高中的时候养成一个习惯,一道题按书上的办法会做了,还要再想有没有其他办法能把这道题解了。所以一道题我要找好几种办法来做。找出哪种办法最快。


1957年,衣宝廉如愿考上了大学。原本并不支持自己求学的父母,在这一刻终于认可了衣宝廉的坚持。然而在报志愿的问题上,衣宝廉却又和父母闹起了矛盾。


衣院士:父母认为,考医生这个职业比较好,受人尊重又挣钱。所以父母,一直叫我考医。


当时的衣宝廉虽然自己没有想好学什么,但他总觉得医生这个职业并不是自己最满意的。而就在此时,一篇发表在《人民画报》上的科普报道,却让他明确了奋斗终生的目标。




衣院士:正好这个时候,在1956年~1957年,发表了上海生化所邹承鲁院士一个家庭生活的照片儿。这个照片儿出来以后,因为邹成鲁是搞生物酶化学的。我一看到这个家庭生活非常好,所以我就想当个科学家很不错。


下定决心后,衣宝廉选择了吉林大学化学系,终于进入了自己梦寐以求的大学校园。衣宝廉心中的喜悦不言而喻。


想要做科学家,想要成就一番事业,这些愿望的种子不断在他心中发芽成长。尽管生活拮据,但这却从未影响衣宝廉对知识的渴求。当时的吉林大学化学系正值中国现代理论化学开拓者、奠基人唐敖庆教授执教。唐教授对理论基础的重视给衣宝廉留下了深刻印象。


衣院士:唐敖庆是搞理论化学的,所以吉大当时侧重于理论化学。受这种学术风气的影响,就不太重视实验,而是要学理论,将来要做理论化学。


沿袭高中时期的习惯,衣宝廉并不是按照书本死学,而是跳出书本寻找更多解题思路。也正是靠着这样的学习方法,衣宝廉在基础理论和实验上都做足了基本功。


衣院士:所以吉林大学对我的影响就是,搞化学的也要学好数学,要搞模型,要有一定的理论推导。化学不是完全做实验的,所以我在吉大,就打好了物理化学、数学物理这个基础。


1962年,大学四年的学习生涯即将结束,对于一心想要成为科学家的衣宝廉来说,自己的科研之路才刚刚开始。于是他选择继续读研。衣宝廉成功进入了中国科学院大连化学物理研究所,而这一呆就是近60年。进入大连化学物理研究所。因为各方面成绩都十分优秀,衣宝廉对自己十分自信。但让他意外的是,与导师第一次见面得到的并不是夸奖,而是一项看似不可能完成的任务。


衣院士:到化物所以后,我的导师是郭燮贤。郭先生太厉害了。给人的印象非常严,他把我叫到办公室以后,就推给我一本《过渡状态理论》,告诉我一个月写一个读书心得。


按理说,一个月读完一本书,同时写出读书心得并不是一件困难的事,但要命的是,这本书是全英文版。而衣宝廉在此之前学习的一直是俄语。面对满篇都是专业术语的英语书,衣宝廉犯了难。


衣院士:我拿到了。我当时说,郭先生,我学俄语,英语不行。郭先生说:我不管你学俄语学英语,你一个月不行,两个月,两个月不行三个月,一定给我写一本读书心得。所以我拿到了这本书以后,因为也学了一点儿英语,靠字典在一个月之内,晚上每天都是一两点钟睡觉。把这本书看完了。而且写了心得。


正是这一份读书心得,让郭燮贤院士对衣宝廉刮目相看。于是无论在学习、工作还是生活上,都对衣宝廉耐心教导,无论大小问题都一一帮助衣宝廉解决。


衣院士:我受郭院士的影响做工程开发,也就是做实验研究,要跟理论结合起来,正好跟我大学的优势结合起来了。所以郭先生给我留下的印象,就是说碰到一个新问题,要敢碰硬,要能够进去,要花费精力。而且做实验要跟理论模型结合起来。


跟随导师的指导,衣宝廉逐渐成为了学科里的佼佼者。但不久之后,一场上山下乡运动却打断了所有人的科研之路,衣宝廉也同样为自己的学业担忧。不过这一次出身农民家庭的背景却帮了他一个大忙。


衣院士:我呢,因为是出身比较好,是贫下中农出身,所以当时就没有叫我上盘锦。我身体当时也不太好,就留到化物所了。所以当时国家要搞航天飞行,就是载人飞行。那个时候我们除了搞侦察卫星,低空侦查像尖兵类的,还要搞载人飞行,因为那阵儿加加林他们都上天了。美国在搞登月,所以我们也要搞载人飞行。


1967年7月14日,国家将制作航天氢氧燃料电池的任务交给了大连化物所。之所以制造氢氧燃料电池,就是因为这种电池能量密度、能效转化率高,续航里程长,非常适合军工项目。


衣院士:我们搞氢氧燃料电池的时候,当时只知道美国中温的碱性燃料电池已经上天了。现在在搞石棉膜燃料电池和质子膜电池,都是从论文还能看到一点,内部资料是一点都没有的。我们也经常派人到北京去查,查不到。没有资料,没有技术。


对于这个白手起家的项目,衣宝廉和同事们却没有一点退缩。结合大连化物所现有的资源和人才,他们还乐观的发现了自己优于别人的地方。


衣院士:国家安排两家来做这个,一个是中国科学院大连化物所,一个是天津1418所,他们搞的比我们早。所以说在这种状态下,我们的长处是什么呢?我们既有搞催化的,搞化学的,又有搞化工的,所以搞化学的跟搞化工的结合起来很容易把这件事情往前推进。




很快,在朱葆琳先生和袁权院士的领导下,衣宝廉和同事们就装成了电池电堆,也就是燃料电池最重要的部分——电堆,电堆是由多个单体电池以串联的方式层叠组成,再将双极板与膜电极交替叠合,从而构成燃料电池动力系统的核心部分。


衣院士:燃料电池的发电原理是电化学的,一部分是氢的氧化,一部分是氧的还原,中间用一个离子导体把它隔开。那么氢氧燃料电池氢氧化以后呢,变为氢离子,氢离子通过质子交换膜到达氧电极。这个电子通过外电路做功也到达氧电极。所以电子加上氢离子,再加上氧气变为水,发电原理,这叫电化学,有电子转移。电堆虽然做好了,但当电堆真正运行起来,却问题重重,一台电堆大概当时是几十节,把氢气送进去,氧气送进去,老分配不均,就是通过一个管道,就像水管似的,你家用水,你一开水龙头,如果楼下也开水龙头,你这里的水流就小了。所以说分配是个大问题。


面对这个棘手的问题,袁权院士提出,加阻力管和并串联两个方案。衣宝廉和同事们尝试在每个电池后面增加阻力管用来均衡分配,但得到的结果却很不理想,没过一两天阻力管就堵住了。这时大家又想到了并串联结构,就是串并联。


衣院士:把这个电堆分成一节一节的在气体里边,开始16节、8节4节2节1节,我们叫并串联。那么这样的话,分配问题就简化了。


在当时氢氧分配问题得到了解决,电堆的制造就基本完成了。但此时美国却发表了一篇文章,认为航天燃料电池应该利用太空真空这个有利条件实施静态排水。用真空将氢氧作用后产生的水排出。在那个年代,几乎所有的燃料电池都是利用动态排水系统,也就是利用风机循环氢气来排水。


衣院士:我们现在是靠空气把水吹出来的,但是我们要到水下去,到天上去就没有空气了。要用纯氧,纯氧不能像空气这么用,把这个水吹出来。因为氧的氧化能力太强,就把风机烧了,所以一定要靠压差或者是真空把水排出来。所以一定要用新的排水技术,也就是静态排水。


尽管静态排水这种想法很好,但在当时谁也不敢贸然决定实施。研究组的人经过三四天的讨论,仍然拿不定主意,大连化物所最终做出了一个双保险的决定。


衣院士:最后朱先生下决定,你们可以继续做动态排水往前走。我这边儿抽出一部分力量去搞静态排水,就抽出三个人来,那做静态排水。一做,的确好。所以大概不到两个月,就全部转成静态排水。所以我们的电堆由于采用了静态排水和并串联结构,很快我们的电池稳定性,无人运行,能够达到1000小时。当时就是没有问题。


除此之外,衣宝廉还注意到航天系统要求电压保持在正负28V以内,控制电压也是一个关键问题。


衣院士:我们装了34节电池,正常工作32节,复合的时候,把另两节接进去,接的时候呢,靠二极管对外不短路,这个是我提出来的。就解决了电压调整问题。


废寝忘食的计算,不分昼夜的实验。在经历了长达十年的时间后,1978年末,大连化物所设计制作出我国第一台自主设计的碱性燃料电池。而他们也是国家载人飞行项目中唯一一个完成任务的单位。任务圆满完成,自己所在的团队无论从人员还是技术上也都得到了巨大的提升。在衣宝廉看来,燃料电池也许很快就要迎来突飞猛进的发展阶段了。然而此时国家却认为发展载人飞行为时尚早,很多技术方面还不够成熟。于是取消了所有相关研发项目,燃料电池研发项目也在其中。


衣院士:国家撤销了这个业务,经费也就没有了。那么所里边,当时有一百三四十人的队伍也就解散了,大家看哪个室好,就到哪个室去。


没过多久,郭燮贤找到衣宝廉,询问他是否愿意来催化研究室担任主任的职位。


衣院士:我当时就说,我哪也不去。另外我认为燃料电池对国家有用,因为国外用它来航天飞行成功了。现在,文章上还在做潜艇用的燃料电池AIP推进。我说对国家这么重要的任务我们应该保留。正是因为衣宝廉的坚持,燃料电池项目组才最终保留了下来。但曾经一百多人的项目组如今只剩下了七八个人。当时我们留下的人就面临一个问题,没有经费怎么办?那么呢,我就跟同事们讨论,当时我们就用燃料电池已经开发成功的科研成果技术来赚钱。


利用氢燃料电池,衣宝廉带领团队,制作了氢传感器、氧传感器,利用电解水来制氢,让工厂和研究所色谱分析仪省去氢气瓶,插上电源,直接得到纯度很高的氢气。通过电化学分离掉氧气,将得到的氮气用作大棚里植物蔬菜的保鲜气,成功进行氯酸盐阴极改造。并且获得了中国科学院科技进步一等奖,国家发明三等奖。


衣院士:这十年呢,不但没有黄掉,而且这个组还壮大了,所以在全国呢,大家都知道化物所燃料电池没垮,而且还赚钱了。


邵志刚(中国科学院大连化学物理研究所研究员、中国科学院大连化学物理研究所燃料电池研究部部长):我们燃料电池,从60年代是个热潮,后来七八十年代就不热了,好多人不搞了。但是衣老师还在坚持,应该是几起几落,但是衣老师一直坚持,锲而不舍,这个在国内或者乃至国际上那都很少见,衣老师在燃料电池领域坚持耕耘了六十多年,这是很难得的。对于我们科研工作人来说,坚持一个方向,锲而不舍,一直干到底,一直坚持把它做到这个产业化,这是很难得的。


进入90年代,第三次中东石油危机爆发,对于各种资源的开发已经成为世界性问题。而对于新能源的开发也得到了前所未有的重视。我国在这个阶段也开始大力支持燃料电池发展。九五攻关项目启动,作为电动汽车重大专项的项目负责人,衣宝廉带领团队将原本用作航天潜艇的燃料电池逐渐转化为民用燃料电池。


衣院士:我们就把质子交换膜,现在汽车用这个电池就做成了,做到千瓦,全国第一台千瓦级的质子交换膜燃料电池。是在我这儿做成的。


侯明(中国科学院大连化学物理研究所研究员):当时我们所就是跟东风集团一起做了国内的第一台中巴车。实际上我们一开始也不是说这个电堆拿出来,这个设计方案就一下子能够成功的。那么我们实际上确实是要经过很多很多次实验。那老师在这里边呢,实际上他对每次失败,都会有一定的容忍度。比如我在一开始负责电推的时候,确实也经过失败,就是说本来是希望它肯定能够开好的。然后就出现了意想不到的问题。但是这个时候衣老师不是责怪你,而是去帮你去想办法。然后这样怎么解决,就使我自己不断从失败当中去成长,去历练。


随着技术的不断成熟。2001年在衣宝廉的支持下,中国第一家专注于燃料电池产业化的股份制企业新源动力在大连成立。十五与十一五期间开展的863电动汽车重大专项燃料电池项目,在这里做出了净输出30~100kw的车用燃料电池系统,这些系统正是2008年奥运会和2010年上海世博会上推动试运行公交车前进的动力源泉。


如今发展氢氧燃料电池,实现节能减排成为了未来的大趋势,但在新技术的背后,人们却看到了一些令人担忧的隐患。2019年5月韩国江原道江陵市一个储氢罐发生爆炸,紧接着在6月位于挪威奥斯陆郊外的一座加氢站又发生爆炸。很多人开始质疑氢氧燃料电池究竟是否安全。


衣院士:因为氢有两个特点我们要利用。第一它跑得快,氢漏了,很快就扩散到大气当中。在大气当中,氢量是向上跑的,在密闭空间我们要加上氢传感器,同时要加上风机排风。所以说,我们国内要研究廉价的可靠的氢气传感器跟风机联动,一是密闭空间都加上氢传感器和风机排空。这样的话我们做到在千分之五的时候就要把氢排掉。所以目前氢燃料电车(全世界)三万多辆(车)在世界运行,没有出现一个把氢爆炸烧掉的。所以我想,氢的安全问题还是可以解决的。


现在世界各地建起的加氢站越来越多,能效更高、可靠性更强的氢氧燃料电池车也不断推陈出新。但想要搭建更庞大、更便捷的燃料电池网络,解决氢的储运问题就成了每个科研人员最关心的问题。然而解决这个问题,衣宝廉却觉得我们国家有着自己的独特性。


衣院士:我们要想氢能在国家能源当中起到作用,一定要发展管道运输。我们国家西南水电比较丰富,西北太阳能和风能比较丰富,东北也是太阳能和风能比较丰富。来这些地区电解水制氢,完事儿把氢气送入天气管网,就随着天气运过来。所以你可以把氢和天然气一起用,那运输就很省钱了,就代替了天然气,减少天然气进口。需要氢的地方,就可以抽出氢和天然气的混合物再重整制氢,这样也没有运输问题。


尽管每一项难题在衣宝廉看来都有解决方法,但他深知这些难题并不是一朝一夕就能解决。只有一代代的科研工作者持续不停地探索前进,才能获得成功。


衣院士:我对学生的要求就是要做好实验,尊重实验事实,实事求是,最好还能够提升一步,搞出模型。所以有的学生叫我批评的哭了好几次,到现在还很感谢我,因为什么呢?学生这一段是成长的一个关键,一定打好基础。


尽管已经82岁高龄,但衣宝廉仍然会坚持办公,走进一线。在他看来,自己最大的爱好就是科研,就算是平日的休闲活动,他也不忘从科学的角度去分享知识,


衣院士:年轻时候没什么爱好,就是把科研做好,到老了以后嘛,就是健身,每天散散步。我现在愿意照花(给花拍照)发个微信,就想做点儿科普,都是百度的,百度去查。我也(了解)学习呀!他们有人说我成了植物学家了。


有人说衣宝廉太倔,认定了什么事就一定要做到底。也有人说他跟不上大趋势,没有人关注的领域他偏要踏足。更有人说他不会享受生活燃料电池研究埋头一干就是一辈子。对于这些评价,衣宝廉都欣然接受,因为这其中的喜怒哀乐只有他自己清楚。


衣院士:做科研是一个很苦的事情,我认为这个一点儿不假,但是呢,一旦问题解决了,很高兴,如果国家用了产业化了,那就更高兴了。

返回上一步
打印此页
[向上]