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林忠钦:《氢燃料电池技术突破与工程机械应用前景》

2024-05-21 09:05

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。

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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600 GW,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。

二、氢燃料电池推广的瓶颈与突破

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55 RMB/kg,国内某些示范区可以控制在35 RMB/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23 kW提升至300 kW,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250 kW的氢燃料电池重卡,高速工况下效率达52.6%,续航里程达600 km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25 RMB/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240 kW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1 GW,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125 t氢能矿用宽体车、北方股份81 t氢能矿用自卸车、徐工6 t装卸机等都是典型案例。

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1.2 W/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100 kW、120 kW、150 kW、230 kW、300 kW系列化燃料电池电堆。300 kW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4.3 kWh/Nm3,产氢量提升60%,该技术主要用于储能领域。

5.高效率的燃料电池柔性制造产线技术,提出了柔性部件的吸附、转运、放置的动力学控制方法,建立基于刚度增强与位置补偿的抖动与倾斜的抑制策略,开发了年产能1万套的燃料电池柔性生产线,通过了汽车行业IATFA16949国际认证,荣获“2022年中国机械工业科学技术奖一等奖”。

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6.5 t氢能装载机、125 t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级赛道。

谢谢大家!

作者:林忠钦 协会宣传部整理并本人审核同意

初审:董 萌

复审:张宏梅

终审:吴培国

编辑:杨艳丽