美國氫燃料電池汽車制造技術綜述

劉亦功

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

1　氫燃料電池汽車發展愿景與目標

美國能源部（DOE）2002年發布了氫能愿景，2011年發布了氫能源和氫燃料電池項目，2012年發布了5年研發和示范計劃，2012年美國能源部更新了氫能源和燃料電池中長期研發和示范計劃[1]，見圖1。從圖1可以看出，當前美國主流氫能的轉化技術是開發燃料電池和先進燃燒技術，到2020年實現大批量成熟技術應用，目前主要應用是公共汽車車隊和政府車隊，2020年將實現在商用車隊推廣應用，實現私家車市場引入，2040年實現其他公用設施的應用。

當前美國正經歷著能源大事件，新的能源技術不斷被開發，美國能源基礎設施多數已經很陳舊，企業家創新思維適逢新的戰略機遇期。隨著新的創新方法正隨著資本的大量投入，激起氫能源投資熱潮。

美國氫能源發展驅動力包括[1]：

■國家安全和降低石油進口的要求

■全球氣候變化和降低溫室氣體和污染

■全球人口和經濟增長，需要新的經濟的清潔能源，氫能源是無限的潛在能源

■空氣質量和減少車輛和電廠排放的需求

美國發展氫能也面臨很多障礙[1]：

■建設能力和維持國家能源政策的一致性不匹配

■缺乏氫能源基礎設施和缺乏資金建設氫能基礎設施

■缺乏商用上可得、經濟的氫的生產，儲存和轉化裝置，如燃料電池

■氫能的安全問題也是影響氫能發展的瓶頸之一

但其中也面臨很多機遇與挑戰[1]：

■技術變革步伐加大和競爭能源資源和多樣性

■當前相對低成本的化石燃料的可獲得性和不斷的資源消耗

■消費者同時喜歡清靜環境和可接受價格的能源供應

基于美國能源發展驅動與環境因素，美國能源部制定了美國國家氫經濟愿景：

氫能是美國清潔能源的選擇，是柔性的、經濟的、安全的，同時是基于國內可生產的，在國家經濟所有領域、任何地區都可以廣泛應用。

美國氫經濟的發展目的[2]:

·通過研發和展示降低氫能生產、運輸、儲存和燃料電池系統成本

·識別不同區域在經濟上可行的制造機遇

美國氫經濟的發展目標[2]：

·開發制造技術，批量為500,000臺/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，目前國際先進水平已經達到22美元/kW[3]。

·開發車載高壓儲氣瓶制造工藝，到2020年達到10美元/kW，最終達到8美元/kWh。

·支持降低零部件和系統成本努力，到2020年氫生產成本＜4美元（不含稅、交付價格）/當量汽油。

關于燃料電池技術，沒有單一國家在這一領域處于統治地位，成功與否將取決于美國能否迅速參與燃料電池技術與市場開發，表1是美國在燃料電池領域的優勢劣勢分析。

表1　美國在燃料電池領域的優勢劣勢分析[2]

通過上述分析，認為應進一步識別的支持需求，幫助供應商突破基地的限制，支持企業戰略、企業創新工作和高增加值的制造業，這是美國在燃料電池領域發展的必然選項。

2　氫燃料電池汽車競爭力分析

2.1　OEM在生產燃料電池汽車轉型過程中的角色變換

該項目對廣大汽車整車制造企業(OEM)在燃料電池汽車生產轉型過程中承擔的角色進行了研究[4],見圖2。在開發階段，燃料電池零部件供應商研發關鍵零部件，OEM建單體電池，然后建電池堆并集成在整車產品中。在市場引入階段OEM將有能力建電池堆，并集成到整車產品中。在成熟和成長階段OEM將獲得更強大的燃料電池系統能力，投入市場時間也將縮短。建議OEM在制造轉型過程中始終應保持產品生命周期中新技術與產品的融合,在產品成長和成熟階段，不同的OEM可能會根據不同的企業文化與產品成長中有不同的角色。

圖2　OEM在燃料電池汽車轉型中的角色變換

2.2　關鍵零部件競爭力分析

2017年美國能源部授予GLWN領導戰略分析公司、DJW技術公司和E4tech公司進行了清潔氫能源與燃料電池技術經濟分析項目，以解決膜電極組件（MEA）大批量生產工藝問題（包括催化劑、膜和氣體擴散層），高速雙極板制造工藝、低成本儲氫罐制造和標準化零部件平衡問題，項目成果包括對燃料電池制造潛力和創新潛力近期和遠期的分析，見表1。

表1　燃料電池主要零部件制造潛力與創新潛力分析[4]

表1中制造潛力的高、中高、中、中低和低是結合美國制造業基礎設施完善程度，獲得勞動力、類似產業程度，或促進商業/技術和整體制造業環境，分別表示美國制造競爭力的程度。其中儲氫罐和雙極板有很大的制造潛力，也有很大的創新空間。

表1中創新潛力的高、中高、中、中低和低表明美國當前聚焦研究、研發設施和相關技術能力，也表明獲得自然資源能力和公司/國家對于研發的承諾。美國在燃料電池技術方面具有創新性、在相關的領域先進技術處于國際領先地位，特別是在不同材料零部件鏈接、膜的創新和儲氫罐等零部件具有很強的創新能力。

2.3　基于工藝的關鍵零部件成本分解

該項研究以燃料電池的雙極板為例進行了分析，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，按生產批量包括年產10萬輛份和年產1萬輛份。雙極板工藝流程包括沖壓成型、激光焊接和電鍍，10萬輛份產量時其總成本將由1萬輛份的單個總成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%。

研究報告對雙極板、催化劑、膜和氣體擴散層等進行了詳細工藝流程分析，不同國家和地區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　關鍵零部件對社會經濟發展和就業的影響

該項研究也對社會經濟效益進行了預期研究，見表2。關鍵零部件對未來投資需求接近3億美元，對美國經濟有一定的拉動作用，其中壓力容器未來創造工作崗位和投資額都很大，也是氫能經濟發展的關鍵路徑之一。

表2　年10萬臺燃料電池汽車（堆和壓力容器）制造能力規劃與投資[4]

3　五大核心零部件競爭力分析

該項研究把燃料電池的五大零部件作為核心零部件進行研究，主要結論如下：

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

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處于領先地位，美國希望在長遠的未來成為中流。

氣體擴散層（GDL）技術: 目前有四個競爭者處于統治地位，包括歐洲的SGL、 Freudenberg, 亞洲的Toray和美國的Avcarb，而美國在這一領域的技術創新力處于中等。

膜：目前美國在這一領域的技術是全球領先的。

壓力容器：包括碳纖維生產和壓力容器制造。美國在這一領域技術處于全球領先，未來的創新力和生產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質量控制研究項目授予相關研究機構和大型企業，包括碳纖維復合材料和管路連接快速熔融技術、膜電極組件（MEA）和質子交換膜（PEM）電極。通過這些項目，美國能源部很好的支持了未來氫能愿景的實現，為社會實現氫經濟轉換奠定了堅實的基礎。

4　結束語

氫能是國際上公認的清潔能源，美國政府制定了中長期發展規劃，設立了多項公共研究項目，重視發揮大學、研究機構和企業的作用，組織多學科和交叉學科專家和研究機構對燃料電池技術機理和工程應用進行了深入研究，包括雙極板、膜、催化劑等制約汽車行業發展的共性技術。為氫能的發展實施和氫經濟的發展提供了堅實的支撐，作者希望本文對我國的氫燃料電池汽車發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展問題研究[J]汽車技術,2018(1):1-9.

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