北美氢燃料电池产业发展现状

曲英雪 王景晟

（中国第一汽车集团有限公司 解放事业本部F事业部 长春 130011）

主题词：氢能 燃料电池 北美

1 前言

氢能和氢燃料电池技术是北美向绿色能源转型的重要技术路线之一。2002年美国能源部（DOE）发布了氢能愿景[1]，总体目标是在2020年全美公共车队和政府车队开始应用燃料电池汽车，2025年开始商用车队和私家汽车市场引入氢燃料电池应用。

能源部（DOE）的燃料电池技术办公室（FCTO）一直在促进未来氢能源技术的发展，宗旨是将相关利益攸关方整合在一起，组织先期创新技术开发，促进氢能源在交通领域经济的、大规模可持续的应用，包括氢生产、运输、储存和利用，充分发挥氢能潜力和各行业价值，具体的目标包括[2]：

·对于燃料电池卡车应用（即卡车应用于氢气和燃料电池、电力范围要求、加油、氢化物测量、电压、温度、压力和冷却流体兼容性）的应用范围、挑战和潜在机会的评估、挑战和潜在机会

·讨论可以实现的技术目标，以帮助指导未来的研发工作

·优先考虑燃料电池卡车技术和氢气基础设施的研发主题

北美氢燃料电池计划主要是美国燃料电池公共汽车计划（NFCBP）、加州燃料电池伙伴计划（CAFCP）是实施上述目标的具体实体项目[3]。

2 制储运氢技术及其产业化现状

美国阿尔贡国家实验室（ANL）从关键市场、技术现状和经济参数等多个角度，利用数学模型进行综合评估，得出制氢储氢技术和成本问题是燃料电池商用车替代传统商用车的主要限制因素[4]。包括液化空气集团（Air Liquide）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和阿尔贡国家实验室（ANL）等多家知名企业和研究机构均致力于推进制氢产业规模化。

据国外网站报道，Nel ASA公司宣布，将建造世界上最大的电解槽制氢工厂[5]。工厂将实现全自动化，降低运营成本、提高电解槽效率。在2018年期间，Nel对工厂进行了优化，生产能力从25 MW/年增加到40 MW/年。在第一阶段扩建后，Nel向Nikola交付了448台电解槽。该项目是Nikola在美国开发商用车和乘用车用加氢站及其他基础设施的一部分。

近日，美国能源部（DOE）下属的国家可再生能源实验室（NREL）的科学家，开发了一种提高光电化学水分解装置中高效光电阴极寿命的方法。光电化学（PEC）装置是一种有前景的制氢方法，PEC电池吸收阳光并通过分裂水分子产生氢和氧[6]。

低温压缩氢气具有高能量密度，在高压环境中也避免了蒸发问题。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）是低温压缩氢气技术开发的先行者，历经15年的研究和设计，开发出低温高压氢气泵及高压容器。最终目标为实现低温高压氢气存储系统商业化[7]。

美国HEXAGON公司是一家气体存储罐制造商，累计制造了近50万个高压油罐和1 100万个丙烷罐。该公司研发出一种“4型复合材料”用于存储氢气，该材料由一种不腐蚀的特殊轻质塑料材料制成，通过了极端温度下的测试，号称“塑料金属”，具有重量轻、承载强、耐久性好的优点[8]。目前已经为丰田和斯堪尼亚燃料电池卡车提供技术支持。

相比现有制氢储氢技术及基础设施建设情况，液化氢气在存储运输成本上有更多的优势：高密度的液化氢气体积小、质量小，因此储存空间减小，运输费用降低；卡车通过存储更多的氢气来提高行程，促进物流运输业发展；相比气态管道运输，液态氢运输和管理成本至少降低50%。

3 氢能基础设施建设现状

北美多地政府及企业均大力推进先进加氢站开发建设。目前北美分布的68座加氢站仅一座位于加拿大，其余全部分布在美国，其中加州地区集中度最高，目前已有35座正在运营的加氢站，还有30座正在建设中，预计2025年达到200座的目标。另外，政府和企业还在积极探索新的能源供给路径，加州能源委员会为一个100%可再生能源加氢站的建设提供了8亿美元的资金支持[9]（图1）。

NIKOLA公司正在开发建设一座试点加氢站，预计2019年第一季度建成，加氢站现场电解制氢并完成储氢，每天可供应1吨氢气，可满足35辆重卡加氢需求。在70 Mpa压力下，一辆重卡加满氢气只需要10-15 min。NIKOLA公司规划指出，2021年将正式进行加氢站的商业化运营，每座加氢站可日供氢气8-32吨，可以满足250-1 000台卡车加氢需求。

图1 可再生能源加氢站[9]

4 氢燃料电池汽车示范运行

著名咨询公司（SA）为美国能源部（DOE）开展了关于氢燃料电池产业技术经济分析，为能源部（DOE）相关政策的制定提供支持和依据。该公司利用DFMA（基于过程的成本估算方法）方式，在高制造率下，估算未来燃料电池系统及燃料电池汽车的成本，得出结论：燃料电池适用于有固定线路的大巴车和物流车，且随产量逐步增加，成本将大幅下降，未来燃料电池车成本将与传统车相当。

美国阿贡国家实验室利用NRLE的车队DNA周期理论模拟日常驾驶要求，对燃料电池卡车技术可行性进行论证，也认为燃料电池卡车可以比拟甚至优于传统车辆，下一步要最大限度地降低成本，实现全面商业化[10]。

丰田在2018全球汽车执行调查报告中将氢燃料电池汽车列为第一优先级，提出了“丰田环保挑战2050”战略[9]，通过乘用车和商用车市场的同步发展，降低氢燃料和燃料电池的成本，使氢能社会的到来成为可能。

NIKOLA公司开发的NIKOLA TWO燃料电池商用车搭载240 kW燃料电池，续驶里程可达750～1 200 km，最大扭矩2 700 N·m，735 kW，电池容量达到125～250 kWh[11]。

美国交通与环境中心（CTE，非政府、非盈利机构）累计投资超过4.25亿美元，用于研究、示范、部署燃料电池客车项目，目前已有140辆以上的零排放客车分布在30个运输公司中，其中包括33台燃料电池客车，预计到2019年底燃料电池客车的运营数量达到71台。经过评估，这些燃料电池客车的可靠性、耐久性、故障率等多项指标均表现良好，如表1所示。

表1 CTE燃料电池汽车性能指标

5 未来发展趋势

氢燃料电池汽车对环境友好，能够有效改善大气污染问题，是目前国内外用来替代传统内燃机汽车有效解决化石能源危机的主要途径之一。氢燃料电池技术现在刚刚开始商业化、民用化，氢气的生产以及加氢站的建设成本依旧很高，而且大众对其安全性有所顾虑。但是对于未来而言，零排放、燃料快速补充必然有着良好的发展趋势。美国在燃料电池购置和使用支持政策、加氢站建设等方面继续创新与探索，随着政府和企业在相关领域的大量投入，整个市场也会变得更加的成熟、完善。总之，氢燃料电池汽车的未来值得期待。