林忠钦：《氢燃料电池技术突破与工程机械应用前景》
2024-05-20
2024年5月16日，以“高端·智能·绿色”为主题的工程机械行业科技节（以下简称科技节）在浙江杭州盛大开幕。科技节主旨报告环节，中国工程院院士、中国机械工程学会理事长、上海交通大学原校长林忠钦作《氢燃料电池技术突破与工程机械应用前景》主旨报告。
感谢杨华勇院士和科技节主办方的邀请，有机会与工程机械的同行进行交流。
本次科技节的主题为“高端·智能·绿色”，与工程机械行业的发展方向非常契合。基于过去十多年我参与国家制造强国建设战略研究的认识，我对国内各个行业都做过一些分析和了解。工程机械行业在我国发展良好，国产品牌在全球竞争中占有一席之地。未来，工程机械行业的发展方向应该进一步体现在高端化、智能化和绿色化方面。
我今天的报告题目是《氢燃料电池技术突破与工程机械应用前景》。绿色化是工程机械行业未来的发展方向之一，燃料电池技术的应用前景和发展速度尤为值得关注。
一、双碳背景下的氢能发展战略
在双碳背景下，我国提出了2030年达到碳排放峰值，2060年实现碳中和的目标。这一目标将引导国家能源结构的重大变革。预计到2030年，CO2排放量将达到130亿吨，2060年将降至15亿吨。这一变化预示着能源消耗和排放的下降，将带来所有行业的重大变革。
目前，我国能源消费结构中，化石能源的比例将大幅下降，可再生能源的比例将大幅上升。过去十年，水电、核电、风电和光伏发电的比例已从17.5%上升到32.1%。2021年，风电和光伏发电的装机量突破600GW，预计到2030年将翻番。然而，风电和光伏发电的不稳定性仍是一个国际难题，因此，研究塑造“风—光—电—氢”的新能源格局显得尤为重要。
预计到2050年，全球氢能市场规模将达到1.56万亿美元。在中国，这一发展速度将更快，预计到2030年市场规模将超过万亿元，到2050年将达到4万亿元。届时，氢能将占我国能源结构的10%左右。
为支持氢能发展，我国已开展一系列政策研究。氢能已从化工危险品的属性转变为能源，包括内蒙古、广东、河北、山东等地也出台了支持氢能发展的政策。在氢能利用方面，工业、交通和储能技术都在快速发展。
目前，氢能利用的技术路线主要有两条：燃料电池发电和将氢作为内燃机的燃料进行燃烧。相较后者，燃料电池技术具有转化效率高、动力传动效率高、环境友好、易于控制等优点，是国际上氢能使用的主要技术路线。
氢燃料电池技术的推广面临两大瓶颈：燃料电池成本高、氢气使用成本高。氢燃料电池的成本高是一个主要问题，但是他的成本也在快速下降。如2019年，一台49吨的氢燃料电池重卡售价在180万元左右，现在降至100万元左右，预计到2030年将进一步降低（预计将再下降50%）。目前，氢气价格约为55RMB/kg，国内某些示范区可以控制在35RMB/kg，总体来看，氢燃料电池成本是柴油的两倍左右，应用成本比较高。我分别对这两大瓶颈做介绍。
1. 氢燃料电池
为降低氢燃料电池的成本，需要开展一系列研究，包括燃料电池系统和储氢系统两大部分。其中，燃料电池系统包括电堆、空压机、氢循环泵、DC-DC等；电堆包括催化剂、碳纸、质子交换膜、膜电极、双极板等。
目前，我国在催化剂、碳纸、膜电极、双极板、电堆、空压机、循环泵等技术层面已实现自主可控，还有部分材料需进一步国产化。其中，双极板包括金属极板和石墨极板，国内市场应用率各占50%左右，金属极板已经具备年产1000万片的能力。膜电极方面，国产化率超过90%。膜电极的三大核心材料催化剂和碳纸已经实现国产替代；预计2025年，质子交换膜也将全面国产化。
我国已实现电堆功率的全球领先，功率从23kW提升至300kW，每千瓦成本从1万元下降至1500元，下降了85%左右，预计未来2年将下降至1000元以下，逐步具备竞争力。
与此同时，系统效率增高，续航里程变长。目前，我国研制的载重49吨、功率250kW的氢燃料电池重卡，高速工况下效率达52.6%，续航里程达600km以上。随着四型瓶国产化，质量降低40%左右，每公斤氢气储存成本降低60%。
技术的突破带来氢能应用成本的降低。在某些示范区，如山西某地氢能重卡百公里氢价220元，是柴油的73%；上海临港的氢能公交车百公里氢价168元，是柴油的70%。
2. 氢的制取和输送
目前，制氢主要是在一些含有氢气的副产品中进行提取，对煤化工和焦炉尾气进行分离和提取氢气的技术也愈加成熟。随着技术发展，制氢成本有望降低至25RMB/kg。未来，如果能够突破风电和光电高峰期间的绿电制氢技术，氢气作为副产品的情况将可能发生改变。这涉及到两种技术突破：碱性槽制氢技术和PEM槽技术。目前，碱性槽制氢技术更成熟些，最大制氢规模可达每天42吨；而PEM槽技术动态响应更好，更适合波动的风电和光伏制氢，是未来的方向。
氢气输送方面，目前大多通过长管车输送氢气，成本较高。但输氢管道的发展已经取得进展，有助于进一步降低氢气成本。同时，加氢站的建设也非常重要。目前，全球约有1000座加氢站，中国占40%，位居世界第一。单站加氢能力也在不断提升，如山西鹏飞集团最大单站日加氢能力可达9吨。
三、国内外氢燃料电池在工程机械行业的应用
当前，我国工程机械产品保有量为900万台左右，是“排放大户”，行业迫切需要绿色低碳转型。
相比锂电池，氢燃料电池具有功率大、续航长、零污染的优点。功率240kW的燃料电池系统加上车载的供氢系统，就可满足设备8小时以上连续作业，对于工程机械绿色化发展有积极作用。这个过程中，特别需要解决和规划好加氢站布局问题。在某些特定应用场景，如矿区等封闭环境，做好布局，氢燃料电池工程机械能够极大地发挥其优势，实现商业化应用。
在美国，氢能叉车已经超过6万台，占据全球最大市场份额，固定式氢燃料电池安装超过1GW，建成加氢站49座。其他国家，如日本、英国、瑞士、意大利等也在积极推广氢能重型工程机械。
我国企业如徐工、中联重科、三一重工、太重、杭叉、北方股份等也在积极布局氢能工程机械，如中联重科125t氢能矿用宽体车、北方股份81t氢能矿用自卸车、徐工6t装载机等都是典型案例。
四、上海交通大学氢燃料电池研究成果介绍
早在1998年，上海交通大学（以下简称学校）就成立了燃料电池研究所，是国内高校成立的最早的燃料电池研究机构。2019年，学校成立了“上海交通大学氢科学中心”，重点突破基础科学与核心技术；在校外，与临港新片区管委会、临港集团、申能集团共同成立“中国（上海）自由贸易试验区临港新片区氢产业园”，推动科技成果产业化落地。围绕燃料电池主要突破了以下技术：
1．超薄金属双极板设计与制造技术，突破了极板的超薄新构型、介观尺度的精密成形和耐蚀导电复合涂层技术，极板寿命超过2万小时，建成全流程自动化生产线，应用于上汽、东风、长城等主流汽车企业，占国内金属极板市场90%以上份额，荣获“2019年上海市技术发明特等奖”。
2．高性能催化剂与低铂膜电极技术，突破低铂合金催化剂微观传质、电荷传递、材料衰减的基础理论，合成高活性、长寿命、适应复杂工况的Pt3Co/C催化剂，开发卷对卷直涂法膜电极生产线，电流密度从1.2W/cm²提升至1.8W/cm²，荣获“2020年上海市科技进步一等奖”。
3．高功率密度燃料电池电堆技术，突破了大功率电堆误差装配和公差设计技术，大行程定位技术及高效叠装技术，开发了100kW、120kW、 150kW、230kW、300kW系列化燃料电池电堆。300kW电堆是国际最高功率，适合工程机械与重卡应用，荣获2023年“全球新能源汽车创新奖”。
4．兆瓦级PEM电解槽设计与高精度装配，突破高效扩散层设计与加工技术、催化剂与膜电极涂布技术、装配应力预测与公差设计、高精度层叠装配技术四大核心技术，开发出国内首个兆瓦级PEM电解槽，直流电耗降低至4.3kWh/Nm³，产氢量提升60%，该技术主要用于储能领域。
这些技术成果转化的同时也成功催生了多家企业，如治臻股份、唐锋科技、氢晨科技、氢盛能源和律致新能源等。这些企业在燃料电池技术和氢能装备生产方面取得了显著成就。
目前，学校研制的氢能技术已在多个场景得到应用，如在山西、新疆、雄安新区、宁波等地运行的6.5t氢能装载机、125t氢能矿卡、氢能重卡，以及上海自贸区临港新片区渣土车、公交线和通勤巴士等。
氢能具有广阔的发展前景。通过顶层设计布局，提前规划氢能的制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等各环节发展，未来，氢能或将成为继锂电、光伏之后的另一个万亿级赛道。
（文章来源于中国工程机械工业协会）
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