美國氫燃料電池汽車制造技術(shù)綜述

劉亦功

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

1　氫燃料電池汽車發(fā)展愿景與目標(biāo)

美國能源部（DOE）2002年發(fā)布了氫能愿景，2011年發(fā)布了氫能源和氫燃料電池項(xiàng)目，2012年發(fā)布了5年研發(fā)和示范計(jì)劃，2012年美國能源部更新了氫能源和燃料電池中長期研發(fā)和示范計(jì)劃[1]，見圖1。從圖1可以看出，當(dāng)前美國主流氫能的轉(zhuǎn)化技術(shù)是開發(fā)燃料電池和先進(jìn)燃燒技術(shù)，到2020年實(shí)現(xiàn)大批量成熟技術(shù)應(yīng)用，目前主要應(yīng)用是公共汽車車隊(duì)和政府車隊(duì)，2020年將實(shí)現(xiàn)在商用車隊(duì)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)私家車市場(chǎng)引入，2040年實(shí)現(xiàn)其他公用設(shè)施的應(yīng)用。

當(dāng)前美國正經(jīng)歷著能源大事件，新的能源技術(shù)不斷被開發(fā)，美國能源基礎(chǔ)設(shè)施多數(shù)已經(jīng)很陳舊，企業(yè)家創(chuàng)新思維適逢新的戰(zhàn)略機(jī)遇期。隨著新的創(chuàng)新方法正隨著資本的大量投入，激起氫能源投資熱潮。

美國氫能源發(fā)展驅(qū)動(dòng)力包括[1]：

■國家安全和降低石油進(jìn)口的要求

■全球氣候變化和降低溫室氣體和污染

■全球人口和經(jīng)濟(jì)增長，需要新的經(jīng)濟(jì)的清潔能源，氫能源是無限的潛在能源

■空氣質(zhì)量和減少車輛和電廠排放的需求

美國發(fā)展氫能也面臨很多障礙[1]：

■建設(shè)能力和維持國家能源政策的一致性不匹配

■缺乏氫能源基礎(chǔ)設(shè)施和缺乏資金建設(shè)氫能基礎(chǔ)設(shè)施

■缺乏商用上可得、經(jīng)濟(jì)的氫的生產(chǎn)，儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化裝置，如燃料電池

■氫能的安全問題也是影響氫能發(fā)展的瓶頸之一

但其中也面臨很多機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]：

■技術(shù)變革步伐加大和競(jìng)爭能源資源和多樣性

■當(dāng)前相對(duì)低成本的化石燃料的可獲得性和不斷的資源消耗

■消費(fèi)者同時(shí)喜歡清靜環(huán)境和可接受價(jià)格的能源供應(yīng)

基于美國能源發(fā)展驅(qū)動(dòng)與環(huán)境因素，美國能源部制定了美國國家氫經(jīng)濟(jì)愿景：

氫能是美國清潔能源的選擇，是柔性的、經(jīng)濟(jì)的、安全的，同時(shí)是基于國內(nèi)可生產(chǎn)的，在國家經(jīng)濟(jì)所有領(lǐng)域、任何地區(qū)都可以廣泛應(yīng)用。

美國氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目的[2]:

·通過研發(fā)和展示降低氫能生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和燃料電池系統(tǒng)成本

·識(shí)別不同區(qū)域在經(jīng)濟(jì)上可行的制造機(jī)遇

美國氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展目標(biāo)[2]：

·開發(fā)制造技術(shù)，批量為500,000臺(tái)/年，降低汽車燃料電池堆成本，從2008年的38美元/kW，到2020年將降低到20美元/kW，目前國際先進(jìn)水平已經(jīng)達(dá)到22美元/kW[3]。

·開發(fā)車載高壓儲(chǔ)氣瓶制造工藝，到2020年達(dá)到10美元/kW，最終達(dá)到8美元/kWh。

·支持降低零部件和系統(tǒng)成本努力，到2020年氫生產(chǎn)成本＜4美元（不含稅、交付價(jià)格）/當(dāng)量汽油。

關(guān)于燃料電池技術(shù)，沒有單一國家在這一領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位，成功與否將取決于美國能否迅速參與燃料電池技術(shù)與市場(chǎng)開發(fā)，表1是美國在燃料電池領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)分析。

表1　美國在燃料電池領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)分析[2]

通過上述分析，認(rèn)為應(yīng)進(jìn)一步識(shí)別的支持需求，幫助供應(yīng)商突破基地的限制，支持企業(yè)戰(zhàn)略、企業(yè)創(chuàng)新工作和高增加值的制造業(yè)，這是美國在燃料電池領(lǐng)域發(fā)展的必然選項(xiàng)。

2　氫燃料電池汽車競(jìng)爭力分析

2.1　OEM在生產(chǎn)燃料電池汽車轉(zhuǎn)型過程中的角色變換

該項(xiàng)目對(duì)廣大汽車整車制造企業(yè)(OEM)在燃料電池汽車生產(chǎn)轉(zhuǎn)型過程中承擔(dān)的角色進(jìn)行了研究[4],見圖2。在開發(fā)階段，燃料電池零部件供應(yīng)商研發(fā)關(guān)鍵零部件，OEM建單體電池，然后建電池堆并集成在整車產(chǎn)品中。在市場(chǎng)引入階段OEM將有能力建電池堆，并集成到整車產(chǎn)品中。在成熟和成長階段OEM將獲得更強(qiáng)大的燃料電池系統(tǒng)能力，投入市場(chǎng)時(shí)間也將縮短。建議OEM在制造轉(zhuǎn)型過程中始終應(yīng)保持產(chǎn)品生命周期中新技術(shù)與產(chǎn)品的融合,在產(chǎn)品成長和成熟階段，不同的OEM可能會(huì)根據(jù)不同的企業(yè)文化與產(chǎn)品成長中有不同的角色。

圖2　OEM在燃料電池汽車轉(zhuǎn)型中的角色變換

2.2　關(guān)鍵零部件競(jìng)爭力分析

2017年美國能源部授予GLWN領(lǐng)導(dǎo)戰(zhàn)略分析公司、DJW技術(shù)公司和E4tech公司進(jìn)行了清潔氫能源與燃料電池技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析項(xiàng)目，以解決膜電極組件（MEA）大批量生產(chǎn)工藝問題（包括催化劑、膜和氣體擴(kuò)散層），高速雙極板制造工藝、低成本儲(chǔ)氫罐制造和標(biāo)準(zhǔn)化零部件平衡問題，項(xiàng)目成果包括對(duì)燃料電池制造潛力和創(chuàng)新潛力近期和遠(yuǎn)期的分析，見表1。

表1　燃料電池主要零部件制造潛力與創(chuàng)新潛力分析[4]

表1中制造潛力的高、中高、中、中低和低是結(jié)合美國制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完善程度，獲得勞動(dòng)力、類似產(chǎn)業(yè)程度，或促進(jìn)商業(yè)/技術(shù)和整體制造業(yè)環(huán)境，分別表示美國制造競(jìng)爭力的程度。其中儲(chǔ)氫罐和雙極板有很大的制造潛力，也有很大的創(chuàng)新空間。

表1中創(chuàng)新潛力的高、中高、中、中低和低表明美國當(dāng)前聚焦研究、研發(fā)設(shè)施和相關(guān)技術(shù)能力，也表明獲得自然資源能力和公司/國家對(duì)于研發(fā)的承諾。美國在燃料電池技術(shù)方面具有創(chuàng)新性、在相關(guān)的領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，特別是在不同材料零部件鏈接、膜的創(chuàng)新和儲(chǔ)氫罐等零部件具有很強(qiáng)的創(chuàng)新能力。

2.3　基于工藝的關(guān)鍵零部件成本分解

該項(xiàng)研究以燃料電池的雙極板為例進(jìn)行了分析，見圖3。雙極板的成本分解包括按工藝流程和操作兩部分成本，按生產(chǎn)批量包括年產(chǎn)10萬輛份和年產(chǎn)1萬輛份。雙極板工藝流程包括沖壓成型、激光焊接和電鍍，10萬輛份產(chǎn)量時(shí)其總成本將由1萬輛份的單個(gè)總成2.25美元降低到1.85美元左右，降低幅度接近18%。同樣其運(yùn)行成本將由2.25美元降低到1.9美元，降低幅度接近18%。

研究報(bào)告對(duì)雙極板、催化劑、膜和氣體擴(kuò)散層等進(jìn)行了詳細(xì)工藝流程分析，不同國家和地區(qū)在這些核心零部件的成本分解等。

圖3　燃料電池雙極板成本分解

2.4　關(guān)鍵零部件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和就業(yè)的影響

該項(xiàng)研究也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了預(yù)期研究，見表2。關(guān)鍵零部件對(duì)未來投資需求接近3億美元，對(duì)美國經(jīng)濟(jì)有一定的拉動(dòng)作用，其中壓力容器未來創(chuàng)造工作崗位和投資額都很大，也是氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵路徑之一。

表2　年10萬臺(tái)燃料電池汽車（堆和壓力容器）制造能力規(guī)劃與投資[4]

3　五大核心零部件競(jìng)爭力分析

該項(xiàng)研究把燃料電池的五大零部件作為核心零部件進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

雙極板：歐洲和亞洲在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，美國在金屬成型和涂層技術(shù)上落后，美國希望在長遠(yuǎn)未來成為領(lǐng)先。

催化劑：目前歐洲的Umicore, Johnson Mattey和亞洲Tanaka的燃料電池催化劑技術(shù)處于領(lǐng)先地位，美國希望在長遠(yuǎn)的未來成為中流。

氣體擴(kuò)散層（GDL）技術(shù): 目前有四個(gè)競(jìng)爭者處于統(tǒng)治地位，包括歐洲的SGL、 Freudenberg, 亞洲的Toray和美國的Avcarb，而美國在這一領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新力處于中等。

膜：目前美國在這一領(lǐng)域的技術(shù)是全球領(lǐng)先的。

壓力容器：包括碳纖維生產(chǎn)和壓力容器制造。美國在這一領(lǐng)域技術(shù)處于全球領(lǐng)先，未來的創(chuàng)新力和生產(chǎn)能力將保持較高水平。

美國能源部還將核心零部件在制造工藝和生產(chǎn)質(zhì)量控制研究項(xiàng)目授予相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)，包括碳纖維復(fù)合材料和管路連接快速熔融技術(shù)、膜電極組件（MEA）和質(zhì)子交換膜（PEM）電極。通過這些項(xiàng)目，美國能源部很好的支持了未來氫能愿景的實(shí)現(xiàn)，為社會(huì)實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4　結(jié)束語

氫能是國際上公認(rèn)的清潔能源，美國政府制定了中長期發(fā)展規(guī)劃，設(shè)立了多項(xiàng)公共研究項(xiàng)目，重視發(fā)揮大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的作用，組織多學(xué)科和交叉學(xué)科專家和研究機(jī)構(gòu)對(duì)燃料電池技術(shù)機(jī)理和工程應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，包括雙極板、膜、催化劑等制約汽車行業(yè)發(fā)展的共性技術(shù)。為氫能的發(fā)展實(shí)施和氫經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的支撐，作者希望本文對(duì)我國的氫燃料電池汽車發(fā)展提供有意義的參考。

[1]A NATIONAL VISION OF AMERICA'S TRANSITION TO A HYDROGEN ECONOMY—TO 2030 AND BEYOND.February 2002.

[2]Nancy L.Garland.Manufacturing R&D Program Area.2017 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting.June 6,2017

[3]劉宗巍等.中國燃料電池汽車發(fā)展問題研究[J]汽車技術(shù),2018(1):1-9.

[4]P.I.-Patrick Fullenkamp.U.S.Clean Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies:A Competitiveness Analysis.6 June 2017.