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林忠欽：《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機(jī)械應(yīng)用前景》

2024年05月21日08:37

　　2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機(jī)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。科技節(jié)主旨報(bào)告環(huán)節(jié)，中國工程院院士、中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事長、上海交通大學(xué)原校長林忠欽作《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機(jī)械應(yīng)用前景》主旨報(bào)告。

　　感謝楊華勇院士和科技節(jié)主辦方的邀請，有機(jī)會(huì)與工程機(jī)械的同行進(jìn)行交流。

　　本次科技節(jié)的主題為“高端·智能·綠色”，與工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向非常契合。基于過去十多年我參與國家制造強(qiáng)國建設(shè)戰(zhàn)略研究的認(rèn)識(shí)，我對(duì)國內(nèi)各個(gè)行業(yè)都做過一些分析和了解。工程機(jī)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(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向應(yīng)該進(jìn)一步體現(xiàn)在高端化、智能化和綠色化方面。

　　我今天的報(bào)告題目是《氫燃料電池技術(shù)突破與工程機(jī)械應(yīng)用前景》。綠色化是工程機(jī)械行業(yè)未來的發(fā)展方向之一，燃料電池技術(shù)的應(yīng)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(dá)到碳排放峰值，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。這一目標(biāo)將引導(dǎo)國家能源結(jié)構(gòu)的重大變革。預(yù)計(jì)到2030年，CO2排放量將達(dá)到130億噸，2060年將降至15億噸。這一變化預(yù)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(fèi)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(fēng)電和光伏發(fā)電的比例已從17.5%上升到32.1%。2021年，風(fēng)電和光伏發(fā)電的裝機(jī)量突破600 GW，預(yù)計(jì)到2030年將翻番。然而，風(fēng)電和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性仍是一個(gè)國際難題，因此，研究塑造“風(fēng)—光—電—?dú)洹钡男履茉锤窬诛@得尤為重要。

　　預(yù)計(jì)到2050年，全球氫能市場規(guī)模將達(dá)到1.56萬億美元。在中國，這一發(fā)展速度將更快，預(yù)計(jì)到2030年市場規(guī)模將超過萬億元，到2050年將達(dá)到4萬億元。屆時(shí)，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(xiǎn)品的屬性轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉矗▋?nèi)蒙古、廣東、河北、山東等地也出臺(tái)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(chǔ)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(jī)的燃料進(jìn)行燃燒。相較后者，燃料電池技術(shù)具有轉(zhuǎn)化效率高、動(dòng)力傳動(dòng)效率高、環(huán)境友好、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是國際上氫能使用的主要技術(shù)路線。

　　二、氫燃料電池推廣的瓶頸與突破

　　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(gè)主要問題，但是他的成本也在快速下降。如2019年，一臺(tái)49噸的氫燃料電池重卡售價(jià)在180萬元左右，現(xiàn)在降至100萬元左右，預(yù)計(jì)到2030年將進(jìn)一步降低（預(yù)計(jì)將再下降50%）。目前，氫氣價(jià)格約為55 RMB/kg，國內(nèi)某些示范區(qū)可以控制在35 RMB/kg，總體來看，氫燃料電池成本是柴油的兩倍左右，應(yīng)用成本比較高。我分別對(duì)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(chǔ)氫系統(tǒng)兩大部分。其中，燃料電池系統(tǒng)包括電堆、空壓機(jī)、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(jī)、循環(huán)泵等技術(shù)層面已實(shí)現(xiàn)自主可控，還有部分材料需進(jìn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代；預(yù)計(jì)2025年，質(zhì)子交換膜也將全面國產(chǎn)化。

　　我國已實(shí)現(xiàn)電堆功率的全球領(lǐng)先，功率從23 kW提升至300 kW，每千瓦成本從1萬元下降至1500元，下降了85%左右，預(yù)計(jì)未來2年將下降至1000元以下，逐步具備競爭力。

　　與此同時(shí)，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250 kW的氫燃料電池重卡，高速工況下效率達(dá)52.6%，續(xù)航里程達(dá)600 km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(chǔ)存成本降低60%。

　　技術(shù)的突破帶來氫能應(yīng)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(jià)220元，是柴油的73%；上海臨港的氫能公交車百公里氫價(jià)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(jìn)行提取，對(duì)煤化工和焦?fàn)t尾氣進(jìn)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25 RMB/kg。未來，如果能夠突破風(fēng)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)模可達(dá)每天42噸；而PEM槽技術(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好，更適合波動(dòng)的風(fēng)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(jìn)展，有助于進(jìn)一步降低氫氣成本。同時(shí)，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(tuán)最大單站日加氫能力可達(dá)9噸。

　　三、國內(nèi)外氫燃料電池在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用

　　當(dāng)前，我國工程機(jī)械產(chǎn)品保有量為900萬臺(tái)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(diǎn)。功率240 kW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(shí)以上連續(xù)作業(yè)，對(duì)于工程機(jī)械綠色化發(fā)展有積極作用。這個(gè)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(yīng)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(jī)械能夠極大地發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

　　在美國，氫能叉車已經(jīng)超過6萬臺(tái)，占據(jù)全球最大市場份額，固定式氫燃料電池安裝超過1 GW，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(jī)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(jī)械，如中聯(lián)重科125 t氫能礦用寬體車、北方股份81 t氫能礦用自卸車、徐工6 t裝卸機(jī)等都是典型案例。

　　四、上海交通大學(xué)氫燃料電池研究成果介紹

　　早在1998年，上海交通大學(xué)（以下簡稱學(xué)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(jī)構(gòu)。2019年，學(xué)校成立了“上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心”，重點(diǎn)突破基礎(chǔ)科學(xué)與核心技術(shù)；在校外，與臨港新片區(qū)管委會(huì)、臨港集團(tuán)、申能集團(tuán)共同成立“中國（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)氫產(chǎn)業(yè)園”，推動(dòng)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(jì)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(dǎo)電復(fù)合涂層技術(shù)，極板壽命超過2萬小時(shí)，建成全流程自動(dòng)化生產(chǎn)線，應(yīng)用于上汽、東風(fēng)、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(jiǎng)”。

　　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(yīng)復(fù)雜工況的Pt3Co/C催化劑，開發(fā)卷對(duì)卷直涂法膜電極生產(chǎn)線，電流密度從1.2 W/cm2提升至1.8W/cm2，榮獲“2020年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

　　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(jì)技術(shù)，大行程定位技術(shù)及高效疊裝技術(shù)，開發(fā)了100 kW、120 kW、150 kW、230 kW、300 kW系列化燃料電池電堆。300 kW電堆是國際最高功率，適合工程機(jī)械與重卡應(yīng)用，榮獲2023年“全球新能源汽車創(chuàng)新獎(jiǎng)”。

　　4．兆瓦級(jí)PEM電解槽設(shè)計(jì)與高精度裝配，突破高效擴(kuò)散層設(shè)計(jì)與加工技術(shù)、催化劑與膜電極涂布技術(shù)、裝配應(yīng)力預(yù)測與公差設(shè)計(jì)、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(gè)兆瓦級(jí)PEM電解槽，直流電耗降低至4.3 kWh/Nm3，產(chǎn)氫量提升60%，該技術(shù)主要用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。

　　5．高效率的燃料電池柔性制造產(chǎn)線技術(shù)，提出了柔性部件的吸附、轉(zhuǎn)運(yùn)、放置的動(dòng)力學(xué)控制方法，建立基于剛度增強(qiáng)與位置補(bǔ)償?shù)亩秳?dòng)與傾斜的抑制策略，開發(fā)了年產(chǎn)能1萬套的燃料電池柔性生產(chǎn)線，通過了汽車行業(yè)IATFA16949國際認(rèn)證，榮獲“2022年中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”。

　　這些技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的同時(shí)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(xué)校研制的氫能技術(shù)已在多個(gè)場景得到應(yīng)用，如在山西、新疆、雄安新區(qū)、寧波等地運(yùn)行的6.5 t氫能裝載機(jī)、125 t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(jì)布局，提前規(guī)劃氫能的制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)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(gè)萬級(jí)賽道。

　　謝謝大家！

作者：林忠欽　協(xié)會(huì)宣傳部整理并本人審核同意

初審：董　萌

復(fù)審：張宏梅

終審：吳培國

編輯：楊艷麗

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