林忠欽：《氫燃料電池技術突破與工程機械應用前景》
2024年05月21日08:37
2024年5月16日，以“高端·智能·綠色”為主題的工程機械行業科技節（以下簡稱科技節）在浙江杭州盛大開幕。科技節主旨報告環節，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。
本次科技節的主題為“高端·智能·綠色”，與工程機械行業的發展方向非常契合。基于過去十多年我參與國家制造強國建設戰略研究的認識，我對國內各個行業都做過一些分析和了解。工程機械行業在我國發展良好，國產品牌在全球競爭中占有一席之地。未來，工程機械行業的發展方向應該進一步體現在高端化、智能化和綠色化方面。
我今天的報告題目是《氫燃料電池技術突破與工程機械應用前景》。綠色化是工程機械行業未來的發展方向之一，燃料電池技術的應用前景和發展速度尤為值得關注。
一、雙碳背景下的氫能發展戰略
在雙碳背景下，我國提出了2030年達到碳排放峰值，2060年實現碳中和的目標。這一目標將引導國家能源結構的重大變革。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，將帶來所有行業的重大變革。
目前，我國能源消費結構中，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、風電和光伏發電的比例已從17.5%上升到32.1%。2021年，風電和光伏發電的裝機量突破600 GW，預計到2030年將翻番。然而，風電和光伏發電的不穩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，全球氫能市場規模將達到1.56萬億美元。在中國，這一發展速度將更快，預計到2030年市場規模將超過萬億元，到2050年將達到4萬億元。屆時，氫能將占我國能源結構的10%左右。
為支持氫能發展，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變為能源，包括內蒙古、廣東、河北、山東等地也出臺了支持氫能發展的政策。在氫能利用方面，工業、交通和儲能技術都在快速發展。
目前，氫能利用的技術路線主要有兩條：燃料電池發電和將氫作為內燃機的燃料進行燃燒。相較后者，燃料電池技術具有轉化效率高、動力傳動效率高、環境友好、易于控制等優點，是國際上氫能使用的主要技術路線。
二、氫燃料電池推廣的瓶頸與突破
氫燃料電池技術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55 RMB/kg，國內某些示范區可以控制在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，包括燃料電池系統和儲氫系統兩大部分。其中，燃料電池系統包括電堆、空壓機、氫循環泵、DC-DC等；電堆包括催化劑、碳紙、質子交換膜、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、循環泵等技術層面已實現自主可控，還有部分材料需進一步國產化。其中，雙極板包括金屬極板和石墨極板，國內市場應用率各占50%左右，金屬極板已經具備年產1000萬片的能力。膜電極方面，國產化率超過90%。膜電極的三大核心材料催化劑和碳紙已經實現國產替代；預計2025年，質子交換膜也將全面國產化。
我國已實現電堆功率的全球領先，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，系統效率增高，續航里程變長。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52.6%，續航里程達600 km以上。隨著四型瓶國產化，質量降低40%左右，每公斤氫氣儲存成本降低60%。
技術的突破帶來氫能應用成本的降低。在某些示范區，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也愈加成熟。隨著技術發展，制氫成本有望降低至25 RMB/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，氫氣作為副產品的情況將可能發生改變。這涉及到兩種技術突破：堿性槽制氫技術和PEM槽技術。目前，堿性槽制氫技術更成熟些，最大制氫規模可達每天42噸；而PEM槽技術動態響應更好，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。但輸氫管道的發展已經取得進展，有助于進一步降低氫氣成本。同時，加氫站的建設也非常重要。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、國內外氫燃料電池在工程機械行業的應用
當前，我國工程機械產品保有量為900萬臺左右，是“排放大戶”，行業迫切需要綠色低碳轉型。
相比鋰電池，氫燃料電池具有功率大、續航長、零污染的優點。功率240 kW的燃料電池系統加上車載的供氫系統，就可滿足設備8小時以上連續作業，對于工程機械綠色化發展有積極作用。這個過程中，特別需要解決和規劃好加氫站布局問題。在某些特定應用場景，如礦區等封閉環境，做好布局，氫燃料電池工程機械能夠極大地發揮其優勢，實現商業化應用。
在美國，氫能叉車已經超過6萬臺，占據全球最大市場份額，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械。
我國企業如徐工、中聯重科、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，是國內高校成立的最早的燃料電池研究機構。2019年，學校成立了“上海交通大學氫科學中心”，重點突破基礎科學與核心技術；在校外，與臨港新片區管委會、臨港集團、申能集團共同成立“中國（上海）自由貿易試驗區臨港新片區氫產業園”，推動科技成果產業化落地。圍繞燃料電池主要突破了以下技術：
1．超薄金屬雙極板設計與制造技術，突破了極板的超薄新構型、介觀尺度的精密成形和耐蝕導電復合涂層技術，極板壽命超過2萬小時，建成全流程自動化生產線，應用于上汽、東風、長城等主流汽車企業，占國內金屬極板市場90%以上份額，榮獲“2019年上海市技術發明特等獎”。
2．高性能催化劑與低鉑膜電極技術，突破低鉑合金催化劑微觀傳質、電荷傳遞、材料衰減的基礎理論，合成高活性、長壽命、適應復雜工況的Pt3Co/C催化劑，開發卷對卷直涂法膜電極生產線，電流密度從1.2 W/cm2提升至1.8W/cm2，榮獲“2020年上海市科技進步一等獎”。
3．高功率密度燃料電池電堆技術，突破了大功率電堆誤差裝配和公差設計技術，大行程定位技術及高效疊裝技術，開發了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，適合工程機械與重卡應用，榮獲2023年“全球新能源汽車創新獎”。
4．兆瓦級PEM電解槽設計與高精度裝配，突破高效擴散層設計與加工技術、催化劑與膜電極涂布技術、裝配應力預測與公差設計、高精度層疊裝配技術四大核心技術，開發出國內首個兆瓦級PEM電解槽，直流電耗降低至4.3 kWh/Nm3，產氫量提升60%，該技術主要用于儲能領域。
5．高效率的燃料電池柔性制造產線技術，提出了柔性部件的吸附、轉運、放置的動力學控制方法，建立基于剛度增強與位置補償的抖動與傾斜的抑制策略，開發了年產能1萬套的燃料電池柔性生產線，通過了汽車行業IATFA16949國際認證，榮獲“2022年中國機械工業科學技術獎一等獎”。
這些技術成果轉化的同時也成功催生了多家企業，如治臻股份、唐鋒科技、氫晨科技、氫盛能源和律致新能源等。這些企業在燃料電池技術和氫能裝備生產方面取得了顯著成就。
目前，學校研制的氫能技術已在多個場景得到應用，如在山西、新疆、雄安新區、寧波等地運行的6.5 t氫能裝載機、125 t氫能礦卡、氫能重卡，以及上海自貿區臨港新片區渣土車、公交線和通勤巴士等。
氫能具有廣闊的發展前景。通過頂層設計布局，提前規劃氫能的制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等各環節發展，未來，氫能或將成為繼鋰電、光伏之后的另一個萬級賽道。
謝謝大家！
作者：林忠欽 協會宣傳部整理并本人審核同意
初審：董 萌
復審：張宏梅
終審：吳培國
編輯：楊艷麗
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