北美氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

曲英雪 王景晟

（中國第一汽車集團(tuán)有限公司 解放事業(yè)本部F事業(yè)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(shù)是北美向綠色能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)路線之一。2002年美國能源部（DOE）發(fā)布了氫能愿景[1]，總體目標(biāo)是在2020年全美公共車隊和政府車隊開始應(yīng)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(yīng)用。

能源部（DOE）的燃料電池技術(shù)辦公室（FCTO）一直在促進(jìn)未來氫能源技術(shù)的發(fā)展，宗旨是將相關(guān)利益攸關(guān)方整合在一起，組織先期創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，促進(jìn)氫能源在交通領(lǐng)域經(jīng)濟(jì)的、大規(guī)?？沙掷m(xù)的應(yīng)用，包括氫生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存和利用，充分發(fā)揮氫能潛力和各行業(yè)價值，具體的目標(biāo)包括[2]：

·對于燃料電池卡車應(yīng)用（即卡車應(yīng)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(yīng)用范圍、挑戰(zhàn)和潛在機(jī)會的評估、挑戰(zhàn)和潛在機(jī)會

·討論可以實現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)，以幫助指導(dǎo)未來的研發(fā)工作

·優(yōu)先考慮燃料電池卡車技術(shù)和氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的研發(fā)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(biāo)的具體實體項目[3]。

2 制儲運(yùn)氫技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

美國阿爾貢國家實驗室（ANL）從關(guān)鍵市場、技術(shù)現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)參數(shù)等多個角度，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行綜合評估，得出制氫儲氫技術(shù)和成本問題是燃料電池商用車替代傳統(tǒng)商用車的主要限制因素[4]。包括液化空氣集團(tuán)（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(yè)和研究機(jī)構(gòu)均致力于推進(jìn)制氫產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?/p>

據(jù)國外網(wǎng)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(xiàn)全自動化，降低運(yùn)營成本、提高電解槽效率。在2018年期間，Nel對工廠進(jìn)行了優(yōu)化，生產(chǎn)能力從25 MW/年增加到40 MW/年。在第一階段擴(kuò)建后，Nel向Nikola交付了448臺電解槽。該項目是Nikola在美國開發(fā)商用車和乘用車用加氫站及其他基礎(chǔ)設(shè)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(xué)家，開發(fā)了一種提高光電化學(xué)水分解裝置中高效光電陰極壽命的方法。光電化學(xué)（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(chǎn)生氫和氧[6]。

低溫壓縮氫氣具有高能量密度，在高壓環(huán)境中也避免了蒸發(fā)問題。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）是低溫壓縮氫氣技術(shù)開發(fā)的先行者，歷經(jīng)15年的研究和設(shè)計，開發(fā)出低溫高壓氫氣泵及高壓容器。最終目標(biāo)為實現(xiàn)低溫高壓氫氣存儲系統(tǒng)商業(yè)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(fā)出一種“4型復(fù)合材料”用于存儲氫氣，該材料由一種不腐蝕的特殊輕質(zhì)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(qiáng)、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)[8]。目前已經(jīng)為豐田和斯堪尼亞燃料電池卡車提供技術(shù)支持。

相比現(xiàn)有制氫儲氫技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，液化氫氣在存儲運(yùn)輸成本上有更多的優(yōu)勢：高密度的液化氫氣體積小、質(zhì)量小，因此儲存空間減小，運(yùn)輸費(fèi)用降低；卡車通過存儲更多的氫氣來提高行程，促進(jìn)物流運(yùn)輸業(yè)發(fā)展；相比氣態(tài)管道運(yùn)輸，液態(tài)氫運(yùn)輸和管理成本至少降低50%。

3 氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀

北美多地政府及企業(yè)均大力推進(jìn)先進(jìn)加氫站開發(fā)建設(shè)。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(qū)集中度最高，目前已有35座正在運(yùn)營的加氫站，還有30座正在建設(shè)中，預(yù)計2025年達(dá)到200座的目標(biāo)。另外，政府和企業(yè)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(shè)提供了8億美元的資金支持[9]（圖1）。

NIKOLA公司正在開發(fā)建設(shè)一座試點(diǎn)加氫站，預(yù)計2019年第一季度建成，加氫站現(xiàn)場電解制氫并完成儲氫，每天可供應(yīng)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(guī)劃指出，2021年將正式進(jìn)行加氫站的商業(yè)化運(yùn)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(yùn)行

著名咨詢公司（SA）為美國能源部（DOE）開展了關(guān)于氫燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，為能源部（DOE）相關(guān)政策的制定提供支持和依據(jù)。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(tǒng)及燃料電池汽車的成本，得出結(jié)論：燃料電池適用于有固定線路的大巴車和物流車，且隨產(chǎn)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(tǒng)車相當(dāng)。

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(shù)可行性進(jìn)行論證，也認(rèn)為燃料電池卡車可以比擬甚至優(yōu)于傳統(tǒng)車輛，下一步要最大限度地降低成本，實現(xiàn)全面商業(yè)化[10]。

豐田在2018全球汽車執(zhí)行調(diào)查報告中將氫燃料電池汽車列為第一優(yōu)先級，提出了“豐田環(huán)保挑戰(zhàn)2050”戰(zhàn)略[9]，通過乘用車和商用車市場的同步發(fā)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(fā)的NIKOLA TWO燃料電池商用車搭載240 kW燃料電池，續(xù)駛里程可達(dá)750～1 200 km，最大扭矩2 700 N·m，735 kW，電池容量達(dá)到125～250 kWh[11]。

美國交通與環(huán)境中心（CTE，非政府、非盈利機(jī)構(gòu)）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(yùn)輸公司中，其中包括33臺燃料電池客車，預(yù)計到2019年底燃料電池客車的運(yùn)營數(shù)量達(dá)到71臺。經(jīng)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(biāo)均表現(xiàn)良好，如表1所示。

表1 CTE燃料電池汽車性能指標(biāo)

5 未來發(fā)展趨勢

氫燃料電池汽車對環(huán)境友好，能夠有效改善大氣污染問題，是目前國內(nèi)外用來替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車有效解決化石能源危機(jī)的主要途徑之一。氫燃料電池技術(shù)現(xiàn)在剛剛開始商業(yè)化、民用化，氫氣的生產(chǎn)以及加氫站的建設(shè)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(bǔ)充必然有著良好的發(fā)展趨勢。美國在燃料電池購置和使用支持政策、加氫站建設(shè)等方面繼續(xù)創(chuàng)新與探索，隨著政府和企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的大量投入，整個市場也會變得更加的成熟、完善?？傊?，氫燃料電池汽車的未來值得期待。