美国氢燃料电池汽车制造技术综述

刘亦功

（一汽-大众汽车有限公司，长春 130011）

1　氢燃料电池汽车发展愿景与目标

美国能源部（DOE）2002年发布了氢能愿景，2011年发布了氢能源和氢燃料电池项目，2012年发布了5年研发和示范计划，2012年美国能源部更新了氢能源和燃料电池中长期研发和示范计划[1]，见图1。从图1可以看出，当前美国主流氢能的转化技术是开发燃料电池和先进燃烧技术，到2020年实现大批量成熟技术应用，目前主要应用是公共汽车车队和政府车队，2020年将实现在商用车队推广应用，实现私家车市场引入，2040年实现其他公用设施的应用。

当前美国正经历着能源大事件，新的能源技术不断被开发，美国能源基础设施多数已经很陈旧，企业家创新思维适逢新的战略机遇期。随着新的创新方法正随着资本的大量投入，激起氢能源投资热潮。

美国氢能源发展驱动力包括[1]：

■国家安全和降低石油进口的要求

■全球气候变化和降低温室气体和污染

■全球人口和经济增长，需要新的经济的清洁能源，氢能源是无限的潜在能源

■空气质量和减少车辆和电厂排放的需求

美国发展氢能也面临很多障碍[1]：

■建设能力和维持国家能源政策的一致性不匹配

■缺乏氢能源基础设施和缺乏资金建设氢能基础设施

■缺乏商用上可得、经济的氢的生产，储存和转化装置，如燃料电池

■氢能的安全问题也是影响氢能发展的瓶颈之一

但其中也面临很多机遇与挑战[1]：

■技术变革步伐加大和竞争能源资源和多样性

■当前相对低成本的化石燃料的可获得性和不断的资源消耗

■消费者同时喜欢清静环境和可接受价格的能源供应

基于美国能源发展驱动与环境因素，美国能源部制定了美国国家氢经济愿景：

氢能是美国清洁能源的选择，是柔性的、经济的、安全的，同时是基于国内可生产的，在国家经济所有领域、任何地区都可以广泛应用。

美国氢经济的发展目的[2]:

·通过研发和展示降低氢能生产、运输、储存和燃料电池系统成本

·识别不同区域在经济上可行的制造机遇

美国氢经济的发展目标[2]：

·开发制造技术，批量为500,000台/年，降低汽车燃料电池堆成本，从2008年的38美元/kW，到2020年将降低到20美元/kW，目前国际先进水平已经达到22美元/kW[3]。

·开发车载高压储气瓶制造工艺，到2020年达到10美元/kW，最终达到8美元/kWh。

·支持降低零部件和系统成本努力，到2020年氢生产成本＜4美元（不含税、交付价格）/当量汽油。

关于燃料电池技术，没有单一国家在这一领域处于统治地位，成功与否将取决于美国能否迅速参与燃料电池技术与市场开发，表1是美国在燃料电池领域的优势劣势分析。

表1　美国在燃料电池领域的优势劣势分析[2]

通过上述分析，认为应进一步识别的支持需求，帮助供应商突破基地的限制，支持企业战略、企业创新工作和高增加值的制造业，这是美国在燃料电池领域发展的必然选项。

2　氢燃料电池汽车竞争力分析

2.1　OEM在生产燃料电池汽车转型过程中的角色变换

该项目对广大汽车整车制造企业(OEM)在燃料电池汽车生产转型过程中承担的角色进行了研究[4],见图2。在开发阶段，燃料电池零部件供应商研发关键零部件，OEM建单体电池，然后建电池堆并集成在整车产品中。在市场引入阶段OEM将有能力建电池堆，并集成到整车产品中。在成熟和成长阶段OEM将获得更强大的燃料电池系统能力，投入市场时间也将缩短。建议OEM在制造转型过程中始终应保持产品生命周期中新技术与产品的融合,在产品成长和成熟阶段，不同的OEM可能会根据不同的企业文化与产品成长中有不同的角色。

图2　OEM在燃料电池汽车转型中的角色变换

2.2　关键零部件竞争力分析

2017年美国能源部授予GLWN领导战略分析公司、DJW技术公司和E4tech公司进行了清洁氢能源与燃料电池技术经济分析项目，以解决膜电极组件（MEA）大批量生产工艺问题（包括催化剂、膜和气体扩散层），高速双极板制造工艺、低成本储氢罐制造和标准化零部件平衡问题，项目成果包括对燃料电池制造潜力和创新潜力近期和远期的分析，见表1。

表1　燃料电池主要零部件制造潜力与创新潜力分析[4]

表1中制造潜力的高、中高、中、中低和低是结合美国制造业基础设施完善程度，获得劳动力、类似产业程度，或促进商业/技术和整体制造业环境，分别表示美国制造竞争力的程度。其中储氢罐和双极板有很大的制造潜力，也有很大的创新空间。

表1中创新潜力的高、中高、中、中低和低表明美国当前聚焦研究、研发设施和相关技术能力，也表明获得自然资源能力和公司/国家对于研发的承诺。美国在燃料电池技术方面具有创新性、在相关的领域先进技术处于国际领先地位，特别是在不同材料零部件链接、膜的创新和储氢罐等零部件具有很强的创新能力。

2.3　基于工艺的关键零部件成本分解

该项研究以燃料电池的双极板为例进行了分析，见图3。双极板的成本分解包括按工艺流程和操作两部分成本，按生产批量包括年产10万辆份和年产1万辆份。双极板工艺流程包括冲压成型、激光焊接和电镀，10万辆份产量时其总成本将由1万辆份的单个总成2.25美元降低到1.85美元左右，降低幅度接近18%。同样其运行成本将由2.25美元降低到1.9美元，降低幅度接近18%。

研究报告对双极板、催化剂、膜和气体扩散层等进行了详细工艺流程分析，不同国家和地区在这些核心零部件的成本分解等。

图3　燃料电池双极板成本分解

2.4　关键零部件对社会经济发展和就业的影响

该项研究也对社会经济效益进行了预期研究，见表2。关键零部件对未来投资需求接近3亿美元，对美国经济有一定的拉动作用，其中压力容器未来创造工作岗位和投资额都很大，也是氢能经济发展的关键路径之一。

表2　年10万台燃料电池汽车（堆和压力容器）制造能力规划与投资[4]

3　五大核心零部件竞争力分析

该项研究把燃料电池的五大零部件作为核心零部件进行研究，主要结论如下：

双极板：欧洲和亚洲在技术上处于领先地位，美国在金属成型和涂层技术上落后，美国希望在长远未来成为领先。

催化剂：目前欧洲的Umicore, Johnson Mattey和亚洲Tanaka的燃料电池催化剂技术处于领先地位，美国希望在长远的未来成为中流。

气体扩散层（GDL）技术: 目前有四个竞争者处于统治地位，包括欧洲的SGL、 Freudenberg, 亚洲的Toray和美国的Avcarb，而美国在这一领域的技术创新力处于中等。

膜：目前美国在这一领域的技术是全球领先的。

压力容器：包括碳纤维生产和压力容器制造。美国在这一领域技术处于全球领先，未来的创新力和生产能力将保持较高水平。

美国能源部还将核心零部件在制造工艺和生产质量控制研究项目授予相关研究机构和大型企业，包括碳纤维复合材料和管路连接快速熔融技术、膜电极组件（MEA）和质子交换膜（PEM）电极。通过这些项目，美国能源部很好的支持了未来氢能愿景的实现，为社会实现氢经济转换奠定了坚实的基础。

4　结束语

氢能是国际上公认的清洁能源，美国政府制定了中长期发展规划，设立了多项公共研究项目，重视发挥大学、研究机构和企业的作用，组织多学科和交叉学科专家和研究机构对燃料电池技术机理和工程应用进行了深入研究，包括双极板、膜、催化剂等制约汽车行业发展的共性技术。为氢能的发展实施和氢经济的发展提供了坚实的支撑，作者希望本文对我国的氢燃料电池汽车发展提供有意义的参考。

[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]刘宗巍等.中国燃料电池汽车发展问题研究[J]汽车技术,2018(1):1-9.

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