林忠欽：《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機械應用前景》
2024-05-20
2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機械行業(yè)科技節(jié)（以下簡稱科技節(jié)）在浙江杭州盛大開幕?？萍脊?jié)主旨報告環(huán)節(jié)，中國工程院院士、中國機械工程學會理事長、上海交通大學原校長林忠欽作《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機械應用前景》主旨報告。
感謝楊華勇院士和科技節(jié)主辦方的邀請，有機會與工程機械的同行進行交流。
本次科技節(jié)的主題為“高端·智能·綠色”，與工程機械行業(yè)的發(fā)展方向非常契合?；谶^去十多年我參與國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略研究的認識，我對國內(nèi)各個行業(yè)都做過一些分析和了解。工程機械行業(yè)在我國發(fā)展良好，國產(chǎn)品牌在全球競爭中占有一席之地。未來，工程機械行業(yè)的發(fā)展方向應該進一步體現(xiàn)在高端化、智能化和綠色化方面。
我今天的報告題目是《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機械應用前景》。綠色化是工程機械行業(yè)未來的發(fā)展方向之一，燃料電池技術(shù)的應用前景和發(fā)展速度尤為值得關(guān)注。
一、雙碳背景下的氫能發(fā)展戰(zhàn)略
在雙碳背景下，我國提出了2030年達到碳排放峰值，2060年實現(xiàn)碳中和的目標。這一目標將引導國家能源結(jié)構(gòu)的重大變革。預計到2030年，CO2排放量將達到130億噸，2060年將降至15億噸。這一變化預示著能源消耗和排放的下降，將帶來所有行業(yè)的重大變革。
目前，我國能源消費結(jié)構(gòu)中，化石能源的比例將大幅下降，可再生能源的比例將大幅上升。過去十年，水電、核電、風電和光伏發(fā)電的比例已從17.5%上升到32.1%。2021年，風電和光伏發(fā)電的裝機量突破600GW，預計到2030年將翻番。然而，風電和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性仍是一個國際難題，因此，研究塑造“風—光—電—氫”的新能源格局顯得尤為重要。
預計到2050年，全球氫能市場規(guī)模將達到1.56萬億美元。在中國，這一發(fā)展速度將更快，預計到2030年市場規(guī)模將超過萬億元，到2050年將達到4萬億元。屆時，氫能將占我國能源結(jié)構(gòu)的10%左右。
為支持氫能發(fā)展，我國已開展一系列政策研究。氫能已從化工危險品的屬性轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉?，包括?nèi)蒙古、廣東、河北、山東等地也出臺了支持氫能發(fā)展的政策。在氫能利用方面，工業(yè)、交通和儲能技術(shù)都在快速發(fā)展。
目前，氫能利用的技術(shù)路線主要有兩條：燃料電池發(fā)電和將氫作為內(nèi)燃機的燃料進行燃燒。相較后者，燃料電池技術(shù)具有轉(zhuǎn)化效率高、動力傳動效率高、環(huán)境友好、易于控制等優(yōu)點，是國際上氫能使用的主要技術(shù)路線。
氫燃料電池技術(shù)的推廣面臨兩大瓶頸：燃料電池成本高、氫氣使用成本高。氫燃料電池的成本高是一個主要問題，但是他的成本也在快速下降。如2019年，一臺49噸的氫燃料電池重卡售價在180萬元左右，現(xiàn)在降至100萬元左右，預計到2030年將進一步降低（預計將再下降50%）。目前，氫氣價格約為55RMB/kg，國內(nèi)某些示范區(qū)可以控制在35RMB/kg，總體來看，氫燃料電池成本是柴油的兩倍左右，應用成本比較高。我分別對這兩大瓶頸做介紹。
1. 氫燃料電池
為降低氫燃料電池的成本，需要開展一系列研究，包括燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)兩大部分。其中，燃料電池系統(tǒng)包括電堆、空壓機、氫循環(huán)泵、DC-DC等；電堆包括催化劑、碳紙、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板等。
目前，我國在催化劑、碳紙、膜電極、雙極板、電堆、空壓機、循環(huán)泵等技術(shù)層面已實現(xiàn)自主可控，還有部分材料需進一步國產(chǎn)化。其中，雙極板包括金屬極板和石墨極板，國內(nèi)市場應用率各占50%左右，金屬極板已經(jīng)具備年產(chǎn)1000萬片的能力。膜電極方面，國產(chǎn)化率超過90%。膜電極的三大核心材料催化劑和碳紙已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)替代；預計2025年，質(zhì)子交換膜也將全面國產(chǎn)化。
我國已實現(xiàn)電堆功率的全球領(lǐng)先，功率從23kW提升至300kW，每千瓦成本從1萬元下降至1500元，下降了85%左右，預計未來2年將下降至1000元以下，逐步具備競爭力。
與此同時，系統(tǒng)效率增高，續(xù)航里程變長。目前，我國研制的載重49噸、功率250kW的氫燃料電池重卡，高速工況下效率達52.6%，續(xù)航里程達600km以上。隨著四型瓶國產(chǎn)化，質(zhì)量降低40%左右，每公斤氫氣儲存成本降低60%。
技術(shù)的突破帶來氫能應用成本的降低。在某些示范區(qū)，如山西某地氫能重卡百公里氫價220元，是柴油的73%；上海臨港的氫能公交車百公里氫價168元，是柴油的70%。
2. 氫的制取和輸送
目前，制氫主要是在一些含有氫氣的副產(chǎn)品中進行提取，對煤化工和焦爐尾氣進行分離和提取氫氣的技術(shù)也愈加成熟。隨著技術(shù)發(fā)展，制氫成本有望降低至25RMB/kg。未來，如果能夠突破風電和光電高峰期間的綠電制氫技術(shù)，氫氣作為副產(chǎn)品的情況將可能發(fā)生改變。這涉及到兩種技術(shù)突破：堿性槽制氫技術(shù)和PEM槽技術(shù)。目前，堿性槽制氫技術(shù)更成熟些，最大制氫規(guī)?？蛇_每天42噸；而PEM槽技術(shù)動態(tài)響應更好，更適合波動的風電和光伏制氫，是未來的方向。
氫氣輸送方面，目前大多通過長管車輸送氫氣，成本較高。但輸氫管道的發(fā)展已經(jīng)取得進展，有助于進一步降低氫氣成本。同時，加氫站的建設(shè)也非常重要。目前，全球約有1000座加氫站，中國占40%，位居世界第一。單站加氫能力也在不斷提升，如山西鵬飛集團最大單站日加氫能力可達9噸。
三、國內(nèi)外氫燃料電池在工程機械行業(yè)的應用
當前，我國工程機械產(chǎn)品保有量為900萬臺左右，是“排放大戶”，行業(yè)迫切需要綠色低碳轉(zhuǎn)型。
相比鋰電池，氫燃料電池具有功率大、續(xù)航長、零污染的優(yōu)點。功率240kW的燃料電池系統(tǒng)加上車載的供氫系統(tǒng)，就可滿足設(shè)備8小時以上連續(xù)作業(yè)，對于工程機械綠色化發(fā)展有積極作用。這個過程中，特別需要解決和規(guī)劃好加氫站布局問題。在某些特定應用場景，如礦區(qū)等封閉環(huán)境，做好布局，氫燃料電池工程機械能夠極大地發(fā)揮其優(yōu)勢，實現(xiàn)商業(yè)化應用。
在美國，氫能叉車已經(jīng)超過6萬臺，占據(jù)全球最大市場份額，固定式氫燃料電池安裝超過1GW，建成加氫站49座。其他國家，如日本、英國、瑞士、意大利等也在積極推廣氫能重型工程機械。
我國企業(yè)如徐工、中聯(lián)重科、三一重工、太重、杭叉、北方股份等也在積極布局氫能工程機械，如中聯(lián)重科125t氫能礦用寬體車、北方股份81t氫能礦用自卸車、徐工6t裝載機等都是典型案例。
四、上海交通大學氫燃料電池研究成果介紹
早在1998年，上海交通大學（以下簡稱學校）就成立了燃料電池研究所，是國內(nèi)高校成立的最早的燃料電池研究機構(gòu)。2019年，學校成立了“上海交通大學氫科學中心”，重點突破基礎(chǔ)科學與核心技術(shù)；在校外，與臨港新片區(qū)管委會、臨港集團、申能集團共同成立“中國（上海）自由貿(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)氫產(chǎn)業(yè)園”，推動科技成果產(chǎn)業(yè)化落地。圍繞燃料電池主要突破了以下技術(shù)：
1．超薄金屬雙極板設(shè)計與制造技術(shù)，突破了極板的超薄新構(gòu)型、介觀尺度的精密成形和耐蝕導電復合涂層技術(shù)，極板壽命超過2萬小時，建成全流程自動化生產(chǎn)線，應用于上汽、東風、長城等主流汽車企業(yè)，占國內(nèi)金屬極板市場90%以上份額，榮獲“2019年上海市技術(shù)發(fā)明特等獎”。
2．高性能催化劑與低鉑膜電極技術(shù)，突破低鉑合金催化劑微觀傳質(zhì)、電荷傳遞、材料衰減的基礎(chǔ)理論，合成高活性、長壽命、適應復雜工況的Pt3Co/C催化劑，開發(fā)卷對卷直涂法膜電極生產(chǎn)線，電流密度從1.2W/cm²提升至1.8W/cm²，榮獲“2020年上海市科技進步一等獎”。
3．高功率密度燃料電池電堆技術(shù)，突破了大功率電堆誤差裝配和公差設(shè)計技術(shù)，大行程定位技術(shù)及高效疊裝技術(shù)，開發(fā)了100kW、120kW、 150kW、230kW、300kW系列化燃料電池電堆。300kW電堆是國際最高功率，適合工程機械與重卡應用，榮獲2023年“全球新能源汽車創(chuàng)新獎”。
4．兆瓦級PEM電解槽設(shè)計與高精度裝配，突破高效擴散層設(shè)計與加工技術(shù)、催化劑與膜電極涂布技術(shù)、裝配應力預測與公差設(shè)計、高精度層疊裝配技術(shù)四大核心技術(shù)，開發(fā)出國內(nèi)首個兆瓦級PEM電解槽，直流電耗降低至4.3kWh/Nm³，產(chǎn)氫量提升60%，該技術(shù)主要用于儲能領(lǐng)域。
這些技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的同時也成功催生了多家企業(yè)，如治臻股份、唐鋒科技、氫晨科技、氫盛能源和律致新能源等。這些企業(yè)在燃料電池技術(shù)和氫能裝備生產(chǎn)方面取得了顯著成就。
目前，學校研制的氫能技術(shù)已在多個場景得到應用，如在山西、新疆、雄安新區(qū)、寧波等地運行的6.5t氫能裝載機、125t氫能礦卡、氫能重卡，以及上海自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)渣土車、公交線和通勤巴士等。
氫能具有廣闊的發(fā)展前景。通過頂層設(shè)計布局，提前規(guī)劃氫能的制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等各環(huán)節(jié)發(fā)展，未來，氫能或?qū)⒊蔀槔^鋰電、光伏之后的另一個萬億級賽道。
（文章來源于中國工程機械工業(yè)協(xié)會）
