设计运输燃料电池系统的制造和装配成本的估算方法

设计运输燃料电池系统的制造和装配成本的估算方法Brian D. James, Andrew B. Spisak and Whitney G. Colella摘要本文提出了一种面向制造和的设计和装配（ DFMA ）方法估算建立在不同的量产率新，新兴能源技术的资金成本。该方法包括四个主要步骤： （ 1 ）系统概念设计， （ 2 ）系统物理设计， （ 3 ）成本建模，以及（ 4 ）持续改进来降低成本。本文介绍了以汽车燃料电池系统（ FCSS ）为一个具体案例研究中该方法的应用。因为汽车技术的任何替代品必须以非常成熟和普遍的汽油内燃发动机为竞争，这是非常重要的识别性能，设计和需要减少汽车FCS的成本生产条件。因此， DFMA式以变化的产率（每年1,000和500,000之间的车辆）分析应用到制造聚合物电解质膜（PEM） FCS的汽车成本上 。这种DFMA式分析的结果可以用于在不同的生产水平为新能源技术澄清关键成本动因。引言FCSS在交通应用中是燃料电池（FC ）产品开发的悠久区域。无数的原型车为各种交通应用而存在1 ，并继续研究和内燃机（ ICE ）相比提高功能界别的竞争力 。研究表明，从标准内燃机汽车切换到以氢为燃料的燃料电池汽车（燃料电池汽车）可以显著减少温室气体排放，空气污染排放物，以及环境空气污染，尤其是在氢燃料通过风为动力的电解或蒸汽重整而得天然气时2,3。相关文献探讨更多不同类型的燃料电池汽车，包括卡车燃料电池辅助动力装置 4 ，燃料电池为动力的火车 5 ，燃料电池踏板车 6 ，和其他动力。进一步的研究从油井到车轮 7 整个能源供应链的生命周期评估。为了更好地评估燃料电池运输应用的潜在用途和市场信誉，这项工作描述估算了生产运输FCSS的成本的DFMA式 8 方法。对一个80千瓦电（ KWE） FCS的轻型汽车的例子案例进行讨论。这种DFMA式的方法可以用来评估FCS的资本成本年产率的影响，以及新兴和成熟的产品生产基地之间的区别。实例研究运输FCSS基于低温质子交换膜FCSS制造成本的讨论。该FCSS从板载压缩储氢系统消耗的氢气的燃料流。这种讨论不包括_电力驱动列车或氢存储介质成本的分析。这DFMA式方法有利于分析每年从1,000至500,000 FCSS生产率的资本成本。 对FCS的堆栈和厂房的设计和性能参数平衡进行了讨论。对成本建模方法进行了说明。方法一种DFMA式方法可用于分析在生产的不同的速率下汽车的FCS设计中的制造成本。该方法包括四个主要步骤：（1）系统概念设计，（2）系统物理设计，（3）成本建模，以及（4）持续改进来降低成本系统概念设计 系统概念设计的步骤的一个主要目标是验证一个FCS的化工过程设备模型。在此步骤中，设计和性能标准得到确定。设计标准要考虑如额定电输出（80千瓦的净动力汽车），系统的尺寸和重量等。为了满足这些设计条件，一个特定的传动系然后才在概念上开发。具体设计被发展为四个主要的燃料电池单元的子系统：燃料电池堆子系统，燃料输送子系统，电气管理子系统和热管理子系统。化学工艺厂模型开发阿斯HYSYS 量化重要的性能参数，如网络系统电气效率，质量及各种流的能量流率和温度，和在系统中任何一点的压力。图1是以模型化的汽车FCS的示意图为例并且主要描述了其化学过程。此图显示了压缩的氢气被减压，过滤，并转移到PEM燃料电池堆的阳极侧。经过空气过滤，压缩，冷却，并在进入燃料电池堆的阴极侧之前加湿。阴极的贫氧废气随后在涡轮压缩机中被扩张。热由燃料电池堆内的放热电化学反应所释放和由液体冷却剂系统带走，该系统通过强制对流传递到周围环境中来消除FCS的热量。阳极废气中的未消耗的氢或吹扫或再循环到所述燃料电池堆的入口。一种二次液体冷却回路冷却空气入口的燃料电池堆和冷却包含在涡轮压缩机内的电动马达。 图1表1表示数为质子交换膜燃料电池汽车系统所做的关键设计假设。参照现有的运输FCSS作出保证的性能参数与具有类似的性能和运行目标的系统的预期值一致。系统的概念设计也方便了下一阶段，系统的物理设计，通过确定所有必需的系统组件和它们的物理限制，例如体积和重量，质量流量，操作温度，以及热交换区域。系统的物理设计该系统物理设计步骤的一个重要方面是确定所有关键子系统的材料清单（BOM ）的法案。表2显示用于汽车FC堆物料的清单的一个例子。该表显示了在清单中使用每个部分的数量，由该部分所形成的主材料，该原料的基本形式（如，片，棒，粉末等），成品的基本形式，不论决定使用内部零件或从外部机加工车间购买（即制造或购买的决定），该部分的厚度，和主要形成过程。该系统的物理设计由系统的概念设计强烈导引。该系统物理设计步骤包括设计完整的系统和它的制造工艺的细节，包括确定所有的物质需求，设备的几何形状，制造过程和装配方法。这一步受到作者在制造方法和FCS设计具体的专业知识高度的影响。来自于行业合作伙伴的详细反馈也包括在内。成本模型费用是根据系统的物理设计建模。成本建模的两种不同的方法：（一）为非标准件，进行详细的成本分析，在各方面的材料，制造，加工，装配成本是在以前的步骤设计具体的制造过程中确定的。非标准部件的例子包括燃料电池堆和膜加湿器。（b）为标准件，成本是基于价格行情，业内人士预测，合理的预测这些较高或较低的制造水平。标准组件的例子包括泵，配件，和热交换器。非标准组件：DFMA分析 当需要非标准组件，成本是基于一个完整的实体，制造工艺系的概念化得出。要做到这一点，通过布思罗伊德 - 杜赫斯特，公司开发了一种成本计算方法，_被称为DFMA。 DFMA是由数百家企业实现在全球范围内的各种制造工艺，尤其是汽车行业。本文的方法融合了标准DFMA技术，在FCS内部专业技能的设计和成本建模9,10;熟悉制造业的标准和最佳实践，以及下一代材料，技术和行业中未应用的制造方法。标准化的组件：从行业行情预测当标准的组件是必要的，成本是来自行业报价。这些报价数学上合理的预测是较高或较低的生产速率。（一个完整的制造过程不需要指定）。在前两个阶段满足特殊性能的材料和设备，指定行业报价。在可能的情况下，得到了在不同生产批量订货的报价。应用此行业的数据在一个更大范围的制造水平中，应用学习曲线公式成本模型的范围这种成本分析只针对资本成本并不评估超出车辆的寿命的生命周期成本。这个分析也不进行生命周期评价，通常包括避免外部环境如温室气体排放，空气污染，固体废物的财务价值分析。此外，在资本成本分析中，以下是不包括的：一次性费用如非经常性的研究，设计，工程成本；利润和标记成本；一般行政（管理）成本，保修成本，营销和广告的成本，以及政府的关税（如销售税）。相比之下，这种资本成本分析不包括这些常见的制造费用：机器维修费用；模具摊销；固定制造费用如设备折旧；电，气，水，和其他设施；材料制造；制造和装配的劳动时间。因此，预计的成本不应该与“价格“混乱，”这通常将是一个更高的价值（可能高很多），它是受市场条件的很大影响。持续改进以降低成本这样的设计和成本计算方法是高度迭代。在这种方法中，可替代的材料，技术，制造方法，以及装配方法的优点和缺点不断加重，以便逐步朝着降低设计成本和生产方法改进。化所有的步骤都要考虑变化：系统概念设计，系统物理设计，以及制造和装配方法的选择。文学评论，专利检索，并从全局提取与业界讨论的过程。因此，本研究方法试图根据前三个步骤的方法不断改进，以达到降低成本的目的。总结一个DFMA式的方法可以应用于分析制造新兴能源技术尚未批量生产成本。提出一个案例研究，应用该方法对汽车现场总线控制系统设计。该方法包括四个主要步骤：（1）系统的概念设计，（2）系统的物理设计，（3）成本建模，和（4）持续改进以降低成本。系统的概念设计阶段的主要目标（1）是为了验证一个化工过程的装置或其他基于物理模型的能量系统。系统的物理设计阶段的一个重要方面（2）是确定整个系统的物料清单和BOM的所有关键子系统。在成本建模的步骤（3），对每一个独特的组成部分，进行详细的成本分析，在各制造工序的材料，制造，加工，装配成本的各方面是特定的。持续改进降低成本的一个重要目标（4）是迭代的概念设计和物理设计，以及制造和装配过程中降低成本。这DFMA式分析的结果可以在不同的年产率阐明关键成本驱动因素。结果也可以被用来比较未来预期的资本制度，大规模生产的成本与已在大规模生产的现任技术目前的资本成本。参考资料1 Jacobson, M. Z., Colella, W. G., and Golden, D. M., 2005, “Cleaning the Air and Improving Health With Hydrogen Fuel Cell Vehicles,” Science, 308(5730), pp. 19011905. CrossRef PubMed2 Colella, W. G., Jacobson, M. Z., and Golden, D. M., 2005, “Switching to a U.S. Hydrogen Fuel Cell Vehicle Fleet: The Resultant Change in Energy Use, Emissions, and Global Warming Gases,” J. Power Sources, 150, pp. 150181. CrossRef3 Blake, G. D., 2010, “Solid Oxide Fuel Cell Development for Transportation and Stationary Applications: Overview & Status Update,” 2010 Advanced Energy Conference.4 “Japan Railway on Track to Test Pollution-Free Fuel Cell,” New York Times, April 14th, 2006.5 Colella, W. G., 2000, “Market Prospects, Design Features, and Performance of a Fuel Cell Powered Scooter,” J. Power Sources, 86, pp. 255260. CrossRef6 Colella, W. G., 2010, “Designing Energy Supply Chains Based on Hydrogen,” Climate Change Science and Policy, S. H.Schneider, A.Rosencranz, and M. D.Mastrandrea, eds., 2nd ed., Island Press, Washington, D.C., Chap. XLV, pp. 456466.7 Boothroyd, G., Dewhurst, P., and Knight, W., 2011, Product Design for Manufacture and Assembly, 3rd ed., CRC Press and Taylor & Francis Group LLC, Boca Raton, FL.8 James, B. D., and Spisak, A. B., 2012, “Mass Production Cost Estimation of Direct H2 PEM Fuel Cell Systems for Transportation Applications: 2012 Update,” report by Strategic Analysis, Inc., under Award Number DE-EE for the US Department of Energy, 18 Oct. 2012.9 James, B. D., Moton, J. M., Colella, W. G., 2013, “Fuel Cell Transportation Cost Analysis,” U.S. DOEs