氫燃料工程機械產業化的可行性分析

摘要：國家發改委于2022年3月23日發布了《氫能產業發展中長期規劃（2021-2025）》，規劃明確了氫能產業在我國社會經濟發展中的戰略定位，是未來我國能源體系的重要組成部分，是實現綠色低碳轉型的重要載體，也是戰略性新興產業和未來產業重點發展方向。氫燃料汽車、氫燃料工業車輛已經部分實現了量產。在國家上下推動能源轉型、遏制碳排放的背景下，工程機械實現低能耗，清潔的尾氣排放是大勢所趨。氫燃料電池具有零排放零污染的優勢，同時能適應高強度連續作業，被認為是最有前景的替代動力解決方案之一。

關鍵詞：氫能源；氫燃料工程機械

0" "引言

氫能源是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。為助力實現碳達峰、碳中和目標，深入推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進氫能產業高質量發展，工程機械行業部分企業也在探索氫能源工程機械的發展之路。

近年來，不同的領域對于氫能源的需求越來越迫切，目前已經有部分企業實現氫能源工業車輛量產。工程機械具有高能耗、高排放的特點，隨著“雙碳”戰略的進一步落地，氫能源工程機械也一定會走向產業化。工程機械的排放水平一直是環保部門關注的重點。在國家能源轉型升級與環保的雙輪驅動下，加快工程機械的節能減排已經成為該行業的目標任務。

2022年12月1日，我國開始執行非道路移動機械四階段標準，工程機械是非道路移動機械的重要組成部分，對于整機排放的控制將更加嚴格，包括對于37kW以上工程機械實際使用過程的污染物排放使用PEMS進行測量，增加顆粒物粒子數量（PN）限值，同時提出遠程監控及定位等要求。工程機械排放要求的不斷提高，將促進氫能源工程機械快速發展。2020年6月徐工推出了燃料電池重卡，2021年1月三一重工官方宣布全球首臺氫燃料電池攪拌車正式下線，兩大工程機械龍頭企業的加入，必將大大加快國內氫能源工程機械的發展進程。博雷頓科技在2020年12月推出了一款氫燃料電池裝載機，2020年7月，英國工程機械生產商JCB宣布已開發出建筑行業第一臺氫動力挖掘機。下面借鑒氫能源工業車輛的原理，探討氫燃料工程機械產業化的可行性。

1" "氫燃料叉車

1.1" " 燃料電池機理及功能

1.1.1" "燃料電池簡介

質子交換膜燃料電池是一種將儲存在氫氣中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，氫氣作為燃料不斷地補充就能不斷地發電，因此稱為燃料電池。其工作示意如圖1所示。

質子交換膜燃料電池的另一種解釋方式為：氫燃料被“電解”或消耗。簡單的化學反應方程式為：

4e-+4H++O2→2H2O

在反應過程中由陽極將游離電子用外電路聯接到陰極使電子移動到陰極，即直接產生電流發出電能。雖然“由水變氫”過程復雜，但工業副產氫等再生能源制氫過程并不復雜。

1.1.2" "燃料電池的工作方式

燃料電池的工作類似于柴油發電機，燃料電池是能量轉化單元（相當于柴油發電機）而配套的氫氣瓶是能量存儲單元（相當于油箱），只要源源不斷的向燃料電池中輸入氫氣及就可以持續的發電。

因此燃料電池叉車不需要充電，只要在氫氣瓶中補充氫氣就可以了，補充氫氣的時間只要3～5min，理論上燃料電池叉車可以實現24h不間斷工作。

1.1.3" "風冷式燃料電池與水冷式燃料電池比較

燃料電池的冷卻模式分為風冷和水冷，工程機械底盤較大，更適宜總體設計布置，以風冷代替水冷省掉了冷卻液循環系統、水水換熱系統、冷卻液凈化系統等輔助系統極大的簡化了系統的構成，以長壽命高可靠性低成本的低壓軸流風機代替高成本低壽命的高壓泵，降低系統成本，提高系統的輸出功率，延長系統壽命。

1.2" " 燃料電池叉車對燃油叉車的比較優勢

相對于柴油叉車，燃料電池叉車的最大優勢就是環保，由于燃料電池是真正的綠色電源，其排放的只有純凈的水，沒有其他任何有毒有害氣體、液體排放。因此燃料電池叉車完全可以在室內使用，這是其相對于柴油叉車的最大區別。

目前在對環境潔凈度要求高的食品、藥品庫國外已經禁止鉛酸電池叉車的使用，因此燃料電池叉車在國外高端叉車領域已經全面鋪開，亞馬遜甚至直接收購了燃料電池公司開展燃料電池叉車業務。

1.3" " 燃料電池對電動叉車的比較優勢

相對于電動叉車，燃料電池叉車的工作方式類似于柴油叉車，只要源源不斷的提供氫氣就可以持續不斷的工作，且氫氣的補充時間只需要3～5min，即可實現叉車的24h不間斷工作，而不象電動叉車那樣只能工作幾小時就要充電，雖然鋰電池叉車的充電時間有所改變，但電池充電依然是電動叉車的一個難以逾越的過程，這就大大提高了提高了叉車的使用效率。

盡管目前氫燃料電池市場不大，但國內外研究機構對未來氫能的能源化利用預期非常高。日本、美國、韓國等國均有各類導向政策，其中，日本豐田的氫燃料汽車已完成初步產業化。

我國也于2014年起開始扶持氫燃料電池，在公交和物流領域已有不少應用范例。我國將圍繞實現碳達峰、碳中和目標采取有力措施，持續提升能源利用效率，加快能源消費方式轉變。無論從國家政策還是能源可持續發展角度來看，氫燃料電池必然會有一個更長足的發展，就像曾經的鋰電池。

2" "燃料工程機械

2.1" " 氫燃料工程機械的原理性

氫燃料工程機械的動力系統：氫罐→燃料電池系統→電機+控制器→變速箱+液壓泵（馬達），與目前比較成熟的電動裝載機、電動挖掘機傳動系統原理相同，主要區別就在能源方面。目前我國制氫、儲氫、加氫等環節的關鍵核心設備，還不能全部“國產化”，成本難降。很多科研機構都在為降低氫燃料核心設備的制造成本做出努力。美國氫能的生產和儲運，有技術領先的質子膜純水電解制氫公司，同時還掌握著液氫儲氣罐、儲氫罐等核心技術。液氫方面，美國在液氫生產規模、液氫產量、價格方面都具有絕對優勢。

2.2" " 氫燃料工程機械的發展前景

2.2.1" "氫燃料電池

氫燃料電池作為可持續的環保能源，具有很大的前景。但也存在發展的瓶頸：一是燃料的基礎設施建設較昂貴；二是催化劑的高成本，目前最先進的制氫技術需要貴金屬。也就是說燃料電池系統，包括電堆、質子交換膜、氫罐、催化劑成本還比較高，但當這幾方面的瓶頸突破后，氫燃料電池零排放的優勢就會發揮出來。目前，制氫主要裝備的國產化已經有了可喜的進步。

2.2.2" "氫燃料電池的安全性

氫氣是一種比大氣輕14倍的氣體，因此如果發生泄漏，它會立即擴散到空氣中。即使在車輛起火的情況下，泄漏氫氣燃燒的可能性也幾乎不存在。工程機械絕大部分工作在開放的場區內，因此使用中不存在任何風險。

儲氫瓶（氫罐），儲氫瓶的內表面由薄聚酰胺襯里（尼龍）制成，可最大限度地減少氫氣滲透。外表面覆蓋著增強塑料（碳纖維+環氧樹脂），厚度為20～25mm，能夠保持70MPa的壓力。

關于儲氫瓶的安全性，強度是破裂安全的關鍵，而剛度對于耐用性很重要。碳纖維增強塑料在重量上比鋼有許多優點，增強塑料更輕，同時更可靠。儲氫瓶經受住了1.8m的跌落測試，而不會對其功能造成任何損害。子彈射入加壓為70MPa的儲氫瓶，僅導致氫氣通過穿刺排放到大氣中，沒有爆炸。因此，我們擔心的氫燃料電池的安全性是完全有保障的。從以上分析可以看出，氫燃料工程機械隨著燃料電池的成本達到合適的平衡點，氫燃料工程機械零排放的的優勢就會極大的發揮出來。

氫燃料工程機械的使用雖然可以不改變操作人員的使用習慣（像加油一樣加氫），加注氫燃料方便，但目前氫燃料從制氫到加注是個較復雜的系統工程，包括制氫（水電解制氫、甲醇制氫）、儲存（儲氫罐）、運輸（管束車）、加氫（增壓+加注）、使用（工程機械）等幾個階段。

隨著氫燃料基礎設施的部署建設，建立以工業副產氫和可再生能源制氫就近利用為主的氫能供應體系，對于工程機械使用相對固定區域如礦區、大型料場、港口、機場等區域，建設加氫站或氫燃料撬裝站，氫燃料工程機械加氫方便（3～5min）、可以24h連續工作、零排放的優勢就會發揮出來。而中石化宣布，經過不斷的研究，制取成本已經從過去的15元/kg左右降為1.3元/m3，氫燃料的廣泛推廣已經不遠了。

3" "結語

《氫能產業發展中長期規劃（2021-2025）》確定，到2025年，形成較為完善的氫能產業發展制度政策環境，產業創新能力顯著提高，基本掌握核心技術和制造工藝，初步建立較為完整的供應鏈和產業體系。加快推進質子交換膜燃料電池技術創新，持續提升燃料電池可靠性、穩定性、耐久性，支持新型燃料電池等技術發展，著力推進核心零部件以及關鍵裝置制氧規模，突破氫能基礎設施環節關鍵核心技術。隨著“雙碳”戰略的落地實施、氫燃料電池在汽車領域已經實現從無到有的跨越。氫燃料電池叉車也實現了小批量生產，同樣以內燃機為主要驅動力的工程機械行業，也勢必將迎來一場動力變革。