北美氫燃料電池產業發展現狀

曲英雪 王景晟

（中國第一汽車集團有限公司 解放事業本部F事業部 長春 130011）

主題詞：氫能 燃料電池 北美

1 前言

氫能和氫燃料電池技術是北美向綠色能源轉型的重要技術路線之一。2002年美國能源部（DOE）發布了氫能愿景[1]，總體目標是在2020年全美公共車隊和政府車隊開始應用燃料電池汽車，2025年開始商用車隊和私家汽車市場引入氫燃料電池應用。

能源部（DOE）的燃料電池技術辦公室（FCTO）一直在促進未來氫能源技術的發展，宗旨是將相關利益攸關方整合在一起，組織先期創新技術開發，促進氫能源在交通領域經濟的、大規模可持續的應用，包括氫生產、運輸、儲存和利用，充分發揮氫能潛力和各行業價值，具體的目標包括[2]：

·對于燃料電池卡車應用（即卡車應用于氫氣和燃料電池、電力范圍要求、加油、氫化物測量、電壓、溫度、壓力和冷卻流體兼容性）的應用范圍、挑戰和潛在機會的評估、挑戰和潛在機會

·討論可以實現的技術目標，以幫助指導未來的研發工作

·優先考慮燃料電池卡車技術和氫氣基礎設施的研發主題

北美氫燃料電池計劃主要是美國燃料電池公共汽車計劃（NFCBP）、加州燃料電池伙伴計劃（CAFCP）是實施上述目標的具體實體項目[3]。

2 制儲運氫技術及其產業化現狀

美國阿爾貢國家實驗室（ANL）從關鍵市場、技術現狀和經濟參數等多個角度，利用數學模型進行綜合評估，得出制氫儲氫技術和成本問題是燃料電池商用車替代傳統商用車的主要限制因素[4]。包括液化空氣集團（Air Liquide）、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）和阿爾貢國家實驗室（ANL）等多家知名企業和研究機構均致力于推進制氫產業規模化。

據國外網站報道，Nel ASA公司宣布，將建造世界上最大的電解槽制氫工廠[5]。工廠將實現全自動化，降低運營成本、提高電解槽效率。在2018年期間，Nel對工廠進行了優化，生產能力從25 MW/年增加到40 MW/年。在第一階段擴建后，Nel向Nikola交付了448臺電解槽。該項目是Nikola在美國開發商用車和乘用車用加氫站及其他基礎設施的一部分。

近日，美國能源部（DOE）下屬的國家可再生能源實驗室（NREL）的科學家，開發了一種提高光電化學水分解裝置中高效光電陰極壽命的方法。光電化學（PEC）裝置是一種有前景的制氫方法，PEC電池吸收陽光并通過分裂水分子產生氫和氧[6]。

低溫壓縮氫氣具有高能量密度，在高壓環境中也避免了蒸發問題。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）是低溫壓縮氫氣技術開發的先行者，歷經15年的研究和設計，開發出低溫高壓氫氣泵及高壓容器。最終目標為實現低溫高壓氫氣存儲系統商業化[7]。

美國HEXAGON公司是一家氣體存儲罐制造商，累計制造了近50萬個高壓油罐和1 100萬個丙烷罐。該公司研發出一種“4型復合材料”用于存儲氫氣，該材料由一種不腐蝕的特殊輕質塑料材料制成，通過了極端溫度下的測試，號稱“塑料金屬”，具有重量輕、承載強、耐久性好的優點[8]。目前已經為豐田和斯堪尼亞燃料電池卡車提供技術支持。

相比現有制氫儲氫技術及基礎設施建設情況，液化氫氣在存儲運輸成本上有更多的優勢：高密度的液化氫氣體積小、質量小，因此儲存空間減小，運輸費用降低；卡車通過存儲更多的氫氣來提高行程，促進物流運輸業發展；相比氣態管道運輸，液態氫運輸和管理成本至少降低50%。

3 氫能基礎設施建設現狀

北美多地政府及企業均大力推進先進加氫站開發建設。目前北美分布的68座加氫站僅一座位于加拿大，其余全部分布在美國，其中加州地區集中度最高，目前已有35座正在運營的加氫站，還有30座正在建設中，預計2025年達到200座的目標。另外，政府和企業還在積極探索新的能源供給路徑，加州能源委員會為一個100%可再生能源加氫站的建設提供了8億美元的資金支持[9]（圖1）。

NIKOLA公司正在開發建設一座試點加氫站，預計2019年第一季度建成，加氫站現場電解制氫并完成儲氫，每天可供應1噸氫氣，可滿足35輛重卡加氫需求。在70 Mpa壓力下，一輛重卡加滿氫氣只需要10-15 min。NIKOLA公司規劃指出，2021年將正式進行加氫站的商業化運營，每座加氫站可日供氫氣8-32噸，可以滿足250-1 000臺卡車加氫需求。

圖1 可再生能源加氫站[9]

4 氫燃料電池汽車示范運行

著名咨詢公司（SA）為美國能源部（DOE）開展了關于氫燃料電池產業技術經濟分析，為能源部（DOE）相關政策的制定提供支持和依據。該公司利用DFMA（基于過程的成本估算方法）方式，在高制造率下，估算未來燃料電池系統及燃料電池汽車的成本，得出結論：燃料電池適用于有固定線路的大巴車和物流車，且隨產量逐步增加，成本將大幅下降，未來燃料電池車成本將與傳統車相當。

美國阿貢國家實驗室利用NRLE的車隊DNA周期理論模擬日常駕駛要求，對燃料電池卡車技術可行性進行論證，也認為燃料電池卡車可以比擬甚至優于傳統車輛，下一步要最大限度地降低成本，實現全面商業化[10]。

豐田在2018全球汽車執行調查報告中將氫燃料電池汽車列為第一優先級，提出了“豐田環保挑戰2050”戰略[9]，通過乘用車和商用車市場的同步發展，降低氫燃料和燃料電池的成本，使氫能社會的到來成為可能。

NIKOLA公司開發的NIKOLA TWO燃料電池商用車搭載240 kW燃料電池，續駛里程可達750～1 200 km，最大扭矩2 700 N·m，735 kW，電池容量達到125～250 kWh[11]。

美國交通與環境中心（CTE，非政府、非盈利機構）累計投資超過4.25億美元，用于研究、示范、部署燃料電池客車項目，目前已有140輛以上的零排放客車分布在30個運輸公司中，其中包括33臺燃料電池客車，預計到2019年底燃料電池客車的運營數量達到71臺。經過評估，這些燃料電池客車的可靠性、耐久性、故障率等多項指標均表現良好，如表1所示。

表1 CTE燃料電池汽車性能指標

5 未來發展趨勢

氫燃料電池汽車對環境友好，能夠有效改善大氣污染問題，是目前國內外用來替代傳統內燃機汽車有效解決化石能源危機的主要途徑之一。氫燃料電池技術現在剛剛開始商業化、民用化，氫氣的生產以及加氫站的建設成本依舊很高，而且大眾對其安全性有所顧慮。但是對于未來而言，零排放、燃料快速補充必然有著良好的發展趨勢。美國在燃料電池購置和使用支持政策、加氫站建設等方面繼續創新與探索，隨著政府和企業在相關領域的大量投入，整個市場也會變得更加的成熟、完善。總之，氫燃料電池汽車的未來值得期待。