設(shè)計(jì)運(yùn)輸燃料電池系統(tǒng)的制造和裝配成本的估算方法(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設(shè)計(jì)運(yùn)輸燃料電池系統(tǒng)的制造和裝配成本的估算方法, and 摘要本文提出了一種面向制造和的設(shè)計(jì)和裝配（ DFMA ）方法估算建立在不同的量產(chǎn)率新，新興能源技術(shù)的資金成本。該方法包括四個主要步驟： （ 1 ）系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)， （ 2 ）系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)， （ 3 ）成本建模，以及（ 4 ）持續(xù)改進(jìn)來降低成本。本文介紹了以汽車燃料電池系統(tǒng)（ FCSS ）為一個具體案例研究中該方法的應(yīng)用。因?yàn)槠嚰夹g(shù)的任何替代品必須以非常成熟和普遍的汽油內(nèi)燃發(fā)動機(jī)為競爭，這是非常重要的識別性能，設(shè)計(jì)和需要減少汽車FCS的成本生產(chǎn)條件。因此， DFMA式以變化的產(chǎn)率（每年1,000和500,000之

2、間的車輛）分析應(yīng)用到制造聚合物電解質(zhì)膜（PEM） FCS的汽車成本上 。這種DFMA式分析的結(jié)果可以用于在不同的生產(chǎn)水平為新能源技術(shù)澄清關(guān)鍵成本動因。引言FCSS在交通應(yīng)用中是燃料電池（FC ）產(chǎn)品開發(fā)的悠久區(qū)域。無數(shù)的原型車為各種交通應(yīng)用而存在1 ，并繼續(xù)研究和內(nèi)燃機(jī)（ ICE ）相比提高功能界別的競爭力 。研究表明，從標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)汽車切換到以氫為燃料的燃料電池汽車（燃料電池汽車）可以顯著減少溫室氣體排放，空氣污染排放物，以及環(huán)境空氣污染，尤其是在氫燃料通過風(fēng)為動力的電解或蒸汽重整而得天然氣時2,3。相關(guān)文獻(xiàn)探討更多不同類型的燃料電池汽車，包括卡車燃料電池輔助動力裝置 4 ，燃料電池為動力的火

3、車 5 ，燃料電池踏板車 6 ，和其他動力。進(jìn)一步的研究從油井到車輪 7 整個能源供應(yīng)鏈的生命周期評估。為了更好地評估燃料電池運(yùn)輸應(yīng)用的潛在用途和市場信譽(yù)，這項(xiàng)工作描述估算了生產(chǎn)運(yùn)輸FCSS的成本的DFMA式 8 方法。對一個80千瓦電（ KWE） FCS的輕型汽車的例子案例進(jìn)行討論。這種DFMA式的方法可以用來評估FCS的資本成本年產(chǎn)率的影響，以及新興和成熟的產(chǎn)品生產(chǎn)基地之間的區(qū)別。實(shí)例研究運(yùn)輸FCSS基于低溫質(zhì)子交換膜FCSS制造成本的討論。該FCSS從板載壓縮儲氫系統(tǒng)消耗的氫氣的燃料流。這種討論不包括_電力驅(qū)動列車或氫存儲介質(zhì)成本的分析。這DFMA式方法有利于分析每年從1,000至500

4、,000 FCSS生產(chǎn)率的資本成本。 對FCS的堆棧和廠房的設(shè)計(jì)和性能參數(shù)平衡進(jìn)行了討論。對成本建模方法進(jìn)行了說明。方法一種DFMA式方法可用于分析在生產(chǎn)的不同的速率下汽車的FCS設(shè)計(jì)中的制造成本。該方法包括四個主要步驟：（1）系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，（2）系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)，（3）成本建模，以及（4）持續(xù)改進(jìn)來降低成本系統(tǒng)概念設(shè)計(jì) 系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的步驟的一個主要目標(biāo)是驗(yàn)證一個FCS的化工過程設(shè)備模型。在此步驟中，設(shè)計(jì)和性能標(biāo)準(zhǔn)得到確定。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要考慮如額定電輸出（80千瓦的凈動力汽車），系統(tǒng)的尺寸和重量等。為了滿足這些設(shè)計(jì)條件，一個特定的傳動系然后才在概念上開發(fā)。具體設(shè)計(jì)被發(fā)展為四個主要的燃料電池單元的子系統(tǒng)

5、：燃料電池堆子系統(tǒng)，燃料輸送子系統(tǒng)，電氣管理子系統(tǒng)和熱管理子系統(tǒng)?；瘜W(xué)工藝廠模型開發(fā)阿斯HYSYS 量化重要的性能參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)電氣效率，質(zhì)量及各種流的能量流率和溫度，和在系統(tǒng)中任何一點(diǎn)的壓力。圖1是以模型化的汽車FCS的示意圖為例并且主要描述了其化學(xué)過程。此圖顯示了壓縮的氫氣被減壓，過濾，并轉(zhuǎn)移到PEM燃料電池堆的陽極側(cè)。經(jīng)過空氣過濾，壓縮，冷卻，并在進(jìn)入燃料電池堆的陰極側(cè)之前加濕。陰極的貧氧廢氣隨后在渦輪壓縮機(jī)中被擴(kuò)張。熱由燃料電池堆內(nèi)的放熱電化學(xué)反應(yīng)所釋放和由液體冷卻劑系統(tǒng)帶走，該系統(tǒng)通過強(qiáng)制對流傳遞到周圍環(huán)境中來消除FCS的熱量。陽極廢氣中的未消耗的氫或吹掃或再循環(huán)到所述燃料電池堆的

6、入口。一種二次液體冷卻回路冷卻空氣入口的燃料電池堆和冷卻包含在渦輪壓縮機(jī)內(nèi)的電動馬達(dá)。 圖1表1表示數(shù)為質(zhì)子交換膜燃料電池汽車系統(tǒng)所做的關(guān)鍵設(shè)計(jì)假設(shè)。參照現(xiàn)有的運(yùn)輸FCSS作出保證的性能參數(shù)與具有類似的性能和運(yùn)行目標(biāo)的系統(tǒng)的預(yù)期值一致。系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)也方便了下一階段，系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)，通過確定所有必需的系統(tǒng)組件和它們的物理限制，例如體積和重量，質(zhì)量流量，操作溫度，以及熱交換區(qū)域。系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)該系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)步驟的一個重要方面是確定所有關(guān)鍵子系統(tǒng)的材料清單（BOM ）的法案。表2顯示用于汽車FC堆物料的清單的一個例子。該表顯示了在清單中使用每個部分的數(shù)量，由該部分所形成的主材料，該原料的基本形式（

7、如，片，棒，粉末等），成品的基本形式，不論決定使用內(nèi)部零件或從外部機(jī)加工車間購買（即制造或購買的決定），該部分的厚度，和主要形成過程。該系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)由系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)強(qiáng)烈導(dǎo)引。該系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)步驟包括設(shè)計(jì)完整的系統(tǒng)和它的制造工藝的細(xì)節(jié)，包括確定所有的物質(zhì)需求，設(shè)備的幾何形狀，制造過程和裝配方法。這一步受到作者在制造方法和FCS設(shè)計(jì)具體的專業(yè)知識高度的影響。來自于行業(yè)合作伙伴的詳細(xì)反饋也包括在內(nèi)。成本模型費(fèi)用是根據(jù)系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)建模。成本建模的兩種不同的方法：（一）為非標(biāo)準(zhǔn)件，進(jìn)行詳細(xì)的成本分析，在各方面的材料，制造，加工，裝配成本是在以前的步驟設(shè)計(jì)具體的制造過程中確定的。非標(biāo)準(zhǔn)部件的例子包括燃料

8、電池堆和膜加濕器。（b）為標(biāo)準(zhǔn)件，成本是基于價(jià)格行情，業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，合理的預(yù)測這些較高或較低的制造水平。標(biāo)準(zhǔn)組件的例子包括泵，配件，和熱交換器。非標(biāo)準(zhǔn)組件：DFMA分析 當(dāng)需要非標(biāo)準(zhǔn)組件，成本是基于一個完整的實(shí)體，制造工藝系的概念化得出。要做到這一點(diǎn)，通過布思羅伊德 - 杜赫斯特，公司開發(fā)了一種成本計(jì)算方法，_被稱為DFMA。 DFMA是由數(shù)百家企業(yè)實(shí)現(xiàn)在全球范圍內(nèi)的各種制造工藝，尤其是汽車行業(yè)。本文的方法融合了標(biāo)準(zhǔn)DFMA技術(shù)，在FCS內(nèi)部專業(yè)技能的設(shè)計(jì)和成本建模9,10;熟悉制造業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，以及下一代材料，技術(shù)和行業(yè)中未應(yīng)用的制造方法。標(biāo)準(zhǔn)化的組件：從行業(yè)行情預(yù)測當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的組件是必要

9、的，成本是來自行業(yè)報(bào)價(jià)。這些報(bào)價(jià)數(shù)學(xué)上合理的預(yù)測是較高或較低的生產(chǎn)速率。（一個完整的制造過程不需要指定）。在前兩個階段滿足特殊性能的材料和設(shè)備，指定行業(yè)報(bào)價(jià)。在可能的情況下，得到了在不同生產(chǎn)批量訂貨的報(bào)價(jià)。應(yīng)用此行業(yè)的數(shù)據(jù)在一個更大范圍的制造水平中，應(yīng)用學(xué)習(xí)曲線公式成本模型的范圍這種成本分析只針對資本成本并不評估超出車輛的壽命的生命周期成本。這個分析也不進(jìn)行生命周期評價(jià)，通常包括避免外部環(huán)境如溫室氣體排放，空氣污染，固體廢物的財(cái)務(wù)價(jià)值分析。此外，在資本成本分析中，以下是不包括的：一次性費(fèi)用如非經(jīng)常性的研究，設(shè)計(jì)，工程成本；利潤和標(biāo)記成本；一般行政（管理）成本，保修成本，營銷和廣告的成本，以及政

10、府的關(guān)稅（如銷售稅）。相比之下，這種資本成本分析不包括這些常見的制造費(fèi)用：機(jī)器維修費(fèi)用；模具攤銷；固定制造費(fèi)用如設(shè)備折舊；電，氣，水，和其他設(shè)施；材料制造；制造和裝配的勞動時間。因此，預(yù)計(jì)的成本不應(yīng)該與“價(jià)格“混亂，”這通常將是一個更高的價(jià)值（可能高很多），它是受市場條件的很大影響。持續(xù)改進(jìn)以降低成本這樣的設(shè)計(jì)和成本計(jì)算方法是高度迭代。在這種方法中，可替代的材料，技術(shù)，制造方法，以及裝配方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)不斷加重，以便逐步朝著降低設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)方法改進(jìn)?；械牟襟E都要考慮變化：系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)，以及制造和裝配方法的選擇。文學(xué)評論，專利檢索，并從全局提取與業(yè)界討論的過程。因此，本研究方

11、法試圖根據(jù)前三個步驟的方法不斷改進(jìn)，以達(dá)到降低成本的目的。總結(jié)一個DFMA式的方法可以應(yīng)用于分析制造新興能源技術(shù)尚未批量生產(chǎn)成本。提出一個案例研究，應(yīng)用該方法對汽車現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該方法包括四個主要步驟：（1）系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，（2）系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)，（3）成本建模，和（4）持續(xù)改進(jìn)以降低成本。系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)（1）是為了驗(yàn)證一個化工過程的裝置或其他基于物理模型的能量系統(tǒng)。系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)階段的一個重要方面（2）是確定整個系統(tǒng)的物料清單和BOM的所有關(guān)鍵子系統(tǒng)。在成本建模的步驟（3），對每一個獨(dú)特的組成部分，進(jìn)行詳細(xì)的成本分析，在各制造工序的材料，制造，加工，裝配成本的各方面是特定

12、的。持續(xù)改進(jìn)降低成本的一個重要目標(biāo)（4）是迭代的概念設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)，以及制造和裝配過程中降低成本。這DFMA式分析的結(jié)果可以在不同的年產(chǎn)率闡明關(guān)鍵成本驅(qū)動因素。結(jié)果也可以被用來比較未來預(yù)期的資本制度，大規(guī)模生產(chǎn)的成本與已在大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)任技術(shù)目前的資本成本。參考資料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.

13、 2 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. 3 Blake, G. D., 2010, “Solid Oxide Fuel Cell Development for Transportation

14、 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. P

15、ower Sources, 86, pp. 255260. 6 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 Kni

16、ght, 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. DOE's 2013 Annua