氫能與燃料電池電動汽車第6章 燃料電池汽車

氫能與燃料電池電動汽車HydrogenEnergy&FuelCellElectricVehicle機(jī)械工業(yè)出版社目錄第6章燃料電池汽車6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.3質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在車上的控制6.4燃料電池汽車系統(tǒng)6.5世界燃料電池汽車的發(fā)展6.6國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展及運(yùn)行情況

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期1.日本燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展和示范推廣處于全球領(lǐng)先地位

日本政府高度重視燃料電池汽車的發(fā)展。2017年12月，日本政府發(fā)布了《氫能基本戰(zhàn)略》，描繪了從2020年到2050年的戰(zhàn)略藍(lán)圖。根據(jù)該戰(zhàn)略，到2020年，日本燃料電池汽車保有量將達(dá)4萬輛，到2030年達(dá)8萬輛；同時大力開展對燃料電池卡車的研發(fā)，到2050年，燃料電池汽車將替代新增傳統(tǒng)燃油車。2018年10月在日本舉辦的第一屆氫能部長級會議上，會議代表集中探討了打造氫能可持續(xù)發(fā)展社會的愿景，達(dá)成了協(xié)調(diào)促進(jìn)氫能與燃料電池技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的發(fā)展、促進(jìn)信息共享、加強(qiáng)國際合作、加強(qiáng)氫能跨領(lǐng)域研究和科普宣傳等四個方面的共識。為了實(shí)現(xiàn)《氫能基本戰(zhàn)略》的目標(biāo)，日本也在不斷加大燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)投入。2018年，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）在氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研發(fā)上的總投入達(dá)到2.6億美元。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期1.日本燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展和示范推廣處于全球領(lǐng)先地位

日本燃料電池汽車以乘用車為主，其燃料電池技術(shù)走在世界前列。豐田、本田汽車公司所研發(fā)的燃料電池乘用車整體性能可媲美傳統(tǒng)燃油車，已在世界上率先邁入量產(chǎn)化階段。豐田汽車公司經(jīng)過20多年的技術(shù)積累，于2014年推出了量產(chǎn)燃料電池汽車MIRAI。本田汽車公司也一直致力于燃料電池汽車技術(shù)的開發(fā)，并于2018年推出了燃料電池汽車Clarityo目前，豐田MIRAI、本田Clarity已投放北美、歐洲和日本本土市場。截至2018年8月，日本燃料電池汽車保有量達(dá)2700輛。在燃料電池技術(shù)已達(dá)到量產(chǎn)水平的情況下，日本計劃以2020年東京奧運(yùn)會為契機(jī)，積極推廣燃料電池汽車。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期2．韓國一直致力于燃料電池汽車的技術(shù)開發(fā)和推廣應(yīng)用

韓國企業(yè)積極開展對燃料電池汽車技術(shù)的研發(fā)。2018年，現(xiàn)代汽車在途勝ix燃料電池汽車的基礎(chǔ)上，通過專用平臺打造了全新一代NEXO燃料電池汽車，技術(shù)狀態(tài)達(dá)全球領(lǐng)先水平。在燃料電池商用車方面，繼成功開發(fā)了第一代、第二代燃料電池大巴車后，2018年2月平昌冬奧會期間，現(xiàn)代汽車推出了第三代燃料電池大巴車。2018年9月19日，現(xiàn)代汽車在德國舉辦的漢諾威國際商用車展覽會（IAA）上推出現(xiàn)代首款燃料電池概念卡車，并與瑞士H2Energy公司簽署《關(guān)于提供氫燃料電池重卡產(chǎn)品的諒解備忘錄》，自2019年開始，現(xiàn)代汽車將在5年時間內(nèi)向H2Energy公司提供1000輛氫燃料電池重卡。

韓國政府也在積極開展燃料電池汽車推廣工作。截至2018年8月，韓國燃料電池汽車保有量為422輛。韓國政府計劃在2018年底新增726輛燃料電池汽車；到2019年新增2000輛燃料電池汽車；到2030年新增63萬輛燃料電池汽車，屆時新增燃料電池汽車占韓國新車的比例將達(dá)到10%。韓國政府推行的環(huán)保汽車示范項(xiàng)目，已經(jīng)促進(jìn)燃料電池汽車在首爾、光州、蔚山、昌原、忠清南道等設(shè)有加氫站的城市的銷售。韓國政府還加大了對燃料電池大巴車的示范力度，目前韓國中央政府已與首爾、蔚山等5個地方政府合作展開燃料電池大巴車的示范運(yùn)行，并將于2019年示范運(yùn)行20輛燃料電池大巴車。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期3．歐洲燃料電池汽車已經(jīng)步入市場導(dǎo)入期

歐洲企業(yè)研發(fā)燃料電池汽車的起步很早。在政策和資金的持續(xù)支持下，歐洲逐步培育起一大批優(yōu)秀的燃料電池企業(yè)，各整車廠也紛紛研發(fā)和推出燃料電池汽車。戴姆勒-奔馳先后推出多款燃料電池乘用車和客車，奔馳于2017年推出首款插電式混合動力燃料電池汽車GLCF-Cell；奧迪在2016年發(fā)布了H-Tronquattro燃料電池概念車；寶馬汽車正在開發(fā)燃料電池汽車，并計劃2021年實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)；沃爾沃也公布了燃料電池汽車研發(fā)計劃。

歐盟及歐洲各國也非常支持氫能與燃料電池的研發(fā)和示范應(yīng)用。2008年5月，歐盟委員會、歐洲工業(yè)和研究組織共同出臺了公私合營的燃料電池與氫能聯(lián)合行動計劃（FCHJU），支持歐洲氫能與燃料電池的研發(fā)、示范與推廣應(yīng)用。目前，該一攬子計劃已進(jìn)行到第二期（2014~2020年），總經(jīng)費(fèi)超過13.3億歐元。一些國家也在積極開展示范應(yīng)用。比如，法國在2018年6月推出了“氫能計劃”，提出到2023年推廣5000輛輕型商用車、200輛重型卡車；到2028年，推廣2萬輛以上輕型商用車和800輛以上重型卡車。挪威計劃至2023年引進(jìn)1000輛燃料電池重卡。通過一系列項(xiàng)目的開展，歐洲燃料電池汽車目前已經(jīng)步入了市場導(dǎo)入的早期階段。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期4．美國燃料電池已實(shí)現(xiàn)多種形式應(yīng)用

美國政府高度重視氫能與燃料電池的發(fā)展，不斷推動氫能與燃料電池技術(shù)在交通運(yùn)輸及其他若干領(lǐng)域的發(fā)展。美國政府發(fā)布的《美國優(yōu)先能源戰(zhàn)略》，將重點(diǎn)支持氫能與燃料電池領(lǐng)域的前沿技術(shù)研發(fā)。在多方支持下，美國的氫能與燃料電池已實(shí)現(xiàn)多種形式應(yīng)用。根據(jù)美國能源部(U.S.DepartmentofEnergy)統(tǒng)計，2017年，美國用于銷售和租賃的燃料電池乘用車超過5600輛，正在示范運(yùn)行的燃料電池巴士超過30輛，燃料電池叉車超過2萬輛，燃料電池作為備用電池的出貨量超過240MW。

在示范運(yùn)營方面，無論是通過聯(lián)邦政府還是通過各大州的倡議，美國都大力支持燃料電池在巴士和公交領(lǐng)域的示范運(yùn)營。美國聯(lián)邦運(yùn)輸管理局為國家燃料電池巴士項(xiàng)目提供9000萬美元的資金支持，其他如LoNo(LoworNoEmissionDeployment)項(xiàng)目，正有力地推動燃料電池巴士在多個州的示范運(yùn)營。在諸多項(xiàng)目的支持下，目前美國加州已有25輛NewFlyer和ElDorado燃料電池巴士處于示范運(yùn)行中，斯塔克地區(qū)運(yùn)營的燃料電池巴士已增至13輛。除此之外，伊利諾伊州和夏威夷州的燃料電池巴士也已開展小批量示范運(yùn)營，其中作為“夏威夷的清潔能源計劃”的一部分，夏威夷將在火奴魯魯市國際機(jī)場推動燃料電池巴士的示范運(yùn)行。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期5．中國燃料電池商用車示范應(yīng)用取得突破性進(jìn)展

受技術(shù)儲備、基礎(chǔ)設(shè)施及綜合成本等多種因素的影響，近年來，我國燃料電池商用車實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，發(fā)展速度明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過十幾年的研發(fā)投入，我國燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛馳等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場化進(jìn)程，燃料電池物流車目前也已具備商業(yè)化發(fā)展條件。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截至2018年12月，我國燃料電池汽車銷售量已達(dá)到1527輛。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.1燃料電池汽車迎來產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重要窗口期5．中國燃料電池商用車示范應(yīng)用取得突破性進(jìn)展

各地方政府支持燃料電池汽車商業(yè)化示范運(yùn)行的熱情高漲。北京、上海、如皋、鹽城、常州、佛山、云浮、張家口、鄭州等已設(shè)立了燃料電池公交專用線。自2003年至2011年，由全球環(huán)境基金(GEF)和聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)共同支持的“中國燃料電池公共汽車商業(yè)化示范項(xiàng)目”，已分別在北京、上海實(shí)施兩期。2016年8月，第三期項(xiàng)目在上海正式啟動，項(xiàng)目將在北京、上海、鄭州、鹽城、如皋、常熟、佛山示范運(yùn)行119輛燃料電池汽車。江蘇如皋當(dāng)選為聯(lián)合國開發(fā)計劃署“氫經(jīng)濟(jì)示范城市”，在氫經(jīng)濟(jì)示范領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。與此同時，近年來不少物流企業(yè)對燃料電池汽車的發(fā)展也很重視。京東、申通等物流公司開始試用燃料電池物流車，其中京東經(jīng)過數(shù)月試運(yùn)行，最終在上海投入超過150輛燃料電池物流車進(jìn)行正式日常運(yùn)營，燃料電池汽車在物流行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用已初見成效。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.2燃料電池汽車上游產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)重大突破1．燃料電池電堆及系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展

燃料電池電堆對燃料電池汽車的關(guān)鍵性能影響很大。目前，國外燃料電池電堆已形成批量化生產(chǎn)能力，并已廣泛運(yùn)用于燃料電池乘用車及商用車上。比如，加拿大Ballard公司研發(fā)的石墨雙極板燃料電池電堆，其耐久性已突破25000小時。豐田、本田等汽車公司也相繼開發(fā)出金屬雙極板燃料電池系統(tǒng)，功率密度達(dá)到3.1W/L，耐久性突破了5000小時。

近年來，我國車用燃料電池電堆及系統(tǒng)技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，我國已掌握了車用燃料電池核心技術(shù)，已具備開展大規(guī)模示范運(yùn)行的條件。新源動力、億華通、重塑、弗爾賽等燃料電池電堆及系統(tǒng)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電堆，在功率密度、壽命和低溫性能方面都有明顯提升。新源動力開發(fā)的高性能大功率燃料電池電堆額定功率達(dá)到60kW，可以實(shí)現(xiàn)-20無無輔助低溫啟動和-302低溫儲存；其新開發(fā)的燃料電池電堆經(jīng)臺架測試和整車應(yīng)用驗(yàn)證，突破了車用燃料電池5000小時的耐久性難關(guān)，成為我國首例自主研發(fā)的超越5000小時耐久性的燃料電池產(chǎn)品之一。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.2燃料電池汽車上游產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)重大突破2．膜電極技術(shù)取得重要提升

燃料電池膜電極（Membrane&ElectrodeAssembly，MEA）是燃料電池電堆的核心零部件。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的膜電極，采用CCM（CatalystCoatedMembrane）技術(shù)，即催化劑直接或間接涂覆在質(zhì)子交換膜上，形成催化層-膜-催化層三合一整體，然后與氣體擴(kuò)散層組裝成MEAO經(jīng)過多年發(fā)展，MEA性能和壽命都得到了很大提升。

國際上，Ballard、豐田、Gore等企業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。豐田自主研發(fā)的MEA供其燃料電池汽車使用，代表世界最先進(jìn)燃料電池技術(shù)的豐田MIRAI搭載的電堆功率密度達(dá)3.1W/L，Pt載量已降至0.365mg/cm2，單體壽命達(dá)5000小時。多數(shù)國際MEA生產(chǎn)商已具備連續(xù)化批量生產(chǎn)能力，產(chǎn)能最大可達(dá)每年數(shù)萬平方米。

國內(nèi)MEA經(jīng)過十幾年的研發(fā)，已取得較大進(jìn)展，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)已接近國際先進(jìn)水平。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)等在國家“863”項(xiàng)目支持下進(jìn)行了基于GDE(GasDiffusionElectrode)和CCM技術(shù)的低成本、高性能MEA研究，目前研發(fā)的新一代MEA單體壽命突破5000小時，電堆功率密度達(dá)7W/L，預(yù)計到2020年能實(shí)現(xiàn)功率密度達(dá)3.1W/L的目標(biāo)。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.2燃料電池汽車上游產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)重大突破3．金屬雙極板朝著高性能、低成本趨勢發(fā)展

雙極板是燃料電池的重要部件，開發(fā)高性能、低成本的金屬雙極板成為未來雙極板發(fā)展的趨勢。世界各大汽車和零部件制造商，如豐田、本田、通用、寶馬等，均大力開展金屬雙極板的研發(fā)與量產(chǎn)。豐田MIRAI搭載的燃料電池電堆采用金屬雙極板，并將條形流場改為3D流場，大幅提高了傳質(zhì)能力，同時還降低了濃差極化。此外，為生產(chǎn)高質(zhì)量、高可靠性的金屬雙極板，豐田通過對金屬雙極板成型、連接、表面改性等多個工藝的集成化制造，不僅降低了生產(chǎn)成本，也使產(chǎn)品質(zhì)量和魯棒性等性能完全達(dá)到復(fù)雜工況的要求。

國產(chǎn)雙極板經(jīng)過多年技術(shù)積累，在極板設(shè)計、高精度一致性、耐久性等方面都有所突破。比如，上海交通大學(xué)/上海治臻團(tuán)隊(duì)開發(fā)的高深寬比細(xì)密流道超薄金屬雙極板，高度偏差可控制在土15um，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.2燃料電池汽車上游產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)重大突破4．空壓機(jī)已形成配套能力

國外的燃料電池汽車開發(fā)歷史較長，與之配套的供應(yīng)商起步也較早。整體而言，國外空壓機(jī)產(chǎn)品技術(shù)相對領(lǐng)先，在轉(zhuǎn)子、軸承、高速電機(jī)、控制機(jī)等方面都積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，擁有很多發(fā)明專利。這些企業(yè)大多有豐富的汽車配件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能按照汽車制造商的需求進(jìn)行針對性開發(fā)，產(chǎn)品的均一性較好。

相對而言，國內(nèi)燃料電池壓縮機(jī)起步時間其實(shí)并不晚，西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等高校承擔(dān)過多個對燃料電池空壓機(jī)進(jìn)行研發(fā)的國家“863”和“973”課題，開發(fā)的樣機(jī)也不乏亮點(diǎn)。但由于缺乏專業(yè)的制造商參與，在產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)展較為緩慢。隨著近兩年國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)空壓機(jī)企業(yè)正迎頭趕上，目前已經(jīng)有幾家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了空壓機(jī)的批量化生產(chǎn)。未來，空壓機(jī)將朝著大流量和大壓力、高集成度、節(jié)能高效、全工況下快速響應(yīng)等趨勢發(fā)展。

6.1全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展6.1.2燃料電池汽車上游產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)重大突破5．高壓化、輕量化、高安全性是車載供氫系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向

國外燃料電池汽車以乘用車為主，所以多為70MPa車載供氫系統(tǒng)。加拿大Dynetek公司、美國Quantum公司、日本豐田和本田等都已具備70MPa車載供氫系統(tǒng)的世界領(lǐng)先技術(shù)。在儲氫氣瓶方面，國外已完成對IV型瓶安全性、耐久性等方面的全面測試，并形成了一整套完備的法律法規(guī)，目前國外幾乎所有整車企業(yè)的燃料電池汽車都使用IV型瓶。

國內(nèi)燃料電池汽車以公交車、物流車為主，因此主要關(guān)注35MPa車載供氫系統(tǒng)。比如，張家港富瑞特裝自主研發(fā)的35MPa供氫系統(tǒng)已進(jìn)行了小批量示范應(yīng)用，70MPa集成瓶口閥正處于研發(fā)階段。目前，我國車載供氫系統(tǒng)與國外先進(jìn)水平相比仍有差距，但隨著國內(nèi)車載供氫系統(tǒng)研發(fā)的積累、標(biāo)準(zhǔn)體系的進(jìn)一步完善，我國車載供氫系統(tǒng)技術(shù)具有迎頭趕上的基本條件。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析1．燃料電池汽車和電動汽車的總體發(fā)展情況（1）燃料電池汽車進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展的新階段

從國際上看，在各國政府的大力支持下，以豐田、本田、現(xiàn)代等為代表的部分車企經(jīng)過多年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、技術(shù)考核驗(yàn)證和特定用途領(lǐng)域商業(yè)化示范，基本解決了燃料電池電堆及整車的核心技術(shù)問題，開發(fā)出的整車性能已能夠達(dá)到傳統(tǒng)能源汽車水平。燃料電池汽車于2015年面向私人用戶銷售，開始規(guī)?；M(jìn)入市場。截至2017年，全球累計銷量已超過6000輛。與此同時，全球氫能供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐也在加快，已經(jīng)建設(shè)運(yùn)營的加氫站超過320座。

從國內(nèi)來看，在國家科技計劃和產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的支持下，我國持續(xù)開展了燃料電池汽車的研究開發(fā)工作，基本形成了從燃料電池電堆、燃料電池動力系統(tǒng)到燃料電池整車的配套研發(fā)體系及生產(chǎn)制造能力，并在北京奧運(yùn)會、上海世博會、廣州亞運(yùn)會、深圳大運(yùn)會等重大活動期間進(jìn)行了小規(guī)模的示范考核。在新能源汽車推廣財政補(bǔ)貼政策以及科技部與聯(lián)合國開發(fā)計劃署國際合作項(xiàng)目的支持引領(lǐng)下，我國以客車、物流車等商用車型為先導(dǎo)陸續(xù)啟動了示范推廣，目前累計運(yùn)行車輛超過1000輛，建設(shè)加氫站11座，在建23座。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析1．燃料電池汽車和電動汽車的總體發(fā)展情況（2）全球電動汽車的產(chǎn)銷量和保有量維持快速增長態(tài)勢

圖6-1全球電動汽車銷量及中國占比6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析1．燃料電池汽車和電動汽車的總體發(fā)展情況（2）全球電動汽車的產(chǎn)銷量和保有量維持快速增長態(tài)勢

圖6-2全球新能源汽車保有量及中國占比6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析1．燃料電池汽車和電動汽車的總體發(fā)展情況（2）全球電動汽車的產(chǎn)銷量和保有量維持快速增長態(tài)勢

圖6-3充電樁數(shù)量變化率6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析2．使用特征對比（1）續(xù)駛里程和燃料加注

燃料電池汽車與傳統(tǒng)燃油車在續(xù)駛里程和燃料加注時間上均比較接近。國際上在售燃料電池汽車的主要參數(shù)如表6-1所示?？梢钥吹?，國外的主要車型均以燃料電池動力系統(tǒng)為主要動力源，匹配的動力電池能量在1kW·h左右；車載儲氫系統(tǒng)多采用70MPa，續(xù)駛里程在600-750km，加氫時間在3~5分鐘。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析2．使用特征對比（1）續(xù)駛里程和燃料加注

豐田Mirai現(xiàn)代1X35本田Clarity現(xiàn)代NEXO車重（kg）1850229018752210燃料電池動力系統(tǒng)功率（kW）114124103135電機(jī)參數(shù)（kW.Nm）113335100300130300120395電池參數(shù)（kW·h）1.6（鐐氫電池）0.95（鋰離子電池）—1.56（鋰離子電池）續(xù)駛里程（km）650594750754表6-1目前在售燃料電池汽車的主要參數(shù)6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析2．使用特征對比（2）運(yùn)營環(huán)境限制和消防安全因素

極端環(huán)境（例如低溫、高溫等）將會導(dǎo)致燃料電池汽車和電動汽車性能下降。極端的溫度環(huán)境將影響動力電池的性能，并且空調(diào)的開啟還會帶來額外的動力電池負(fù)荷。與此同時，低于結(jié)冰溫度時，燃料電池的殘余水可能將嚴(yán)重影響燃料電池的性能。因此，要保證燃料電池的高效運(yùn)行，需要一定的運(yùn)行溫度區(qū)間。

燃料電池汽車和電動汽車都面臨不同程度的安全問題，其中需要重點(diǎn)關(guān)注消防安全問題。由于電動汽車和燃料電池汽車都存在高壓電氣系統(tǒng)、動力電池或者氫氣等觸電或火災(zāi)風(fēng)險因素，二者都需要特殊的消防安全設(shè)計、運(yùn)營維修和應(yīng)急救援培訓(xùn)。從燃料電池汽車來看，需要考慮其高壓電氣系統(tǒng)、高壓氫氣的存儲系統(tǒng)及使用過程、氫氣加注、車輛維修和停車以及泄漏檢測等方面存在的安全風(fēng)險，并建立防范機(jī)制和應(yīng)對體系。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.1燃料電池汽車和電動汽車總體發(fā)展情況和技術(shù)對比分析2．使用特征對比（3）燃料與可再生能源的融合

氫能和電力都是重要的二次能源，氫能和燃料電池技術(shù)以及動力電池技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用也都有利于促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。

在電動汽車大規(guī)模發(fā)展的情況下，電動汽車在行駛過程中消耗的能量來自電網(wǎng)充電，同時，電動汽車和動力電池作為儲能裝置，也可以作為優(yōu)化和保障電網(wǎng)運(yùn)行的儲能單元；特別是在大規(guī)?？稍偕茉唇尤氲那榫跋拢妱悠嚭蛣恿﹄姵乜赏ㄟ^智能充電、V2G（車-網(wǎng)）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力的有序充放，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在未來以氫能為基礎(chǔ)的氫能經(jīng)濟(jì)愿景中，一方面，氫能將支撐大規(guī)?？稍偕茉唇尤肽茉聪到y(tǒng)，同時作為儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可再生能源的跨部門和跨區(qū)域分配，提高能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；另一方面，氫能將廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)、建筑等社會主要用能部門，實(shí)現(xiàn)能源的清潔化利用。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析1．方法和關(guān)鍵參數(shù)

本研究基于消費(fèi)者視角，建立了汽車生命周期的總成本評價模型（見圖6-4）。汽車生命周期的總成本包括初始成本、使用成本和報廢回收成本三大模塊。由于新能源汽車二手車交易市場仍未完全建立，還沒有成熟的在用及報廢新能源汽車的報廢回收成本估計方法，因此本研究核算中并未考慮報廢回收成本。汽車生命周期的成本構(gòu)成計算公式如下：圖6-4汽車生命周期成本構(gòu)成6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析

6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析1．方法和關(guān)鍵參數(shù)（1）初始成本

本研究中，車輛的初始成本包括了車輛的購置成本、購置稅、注冊費(fèi)、補(bǔ)貼等因素。每類車型的注冊費(fèi)約500元，其他成本詳細(xì)分析如下。

1）購置成本。將B級汽油乘用車作為基準(zhǔn)車型，EV150、EV300、FCV30和FCV114四類車型的配置參數(shù)如表6-2所示。參數(shù)EV150EV300FCV114(豐田Mirai)FCV30(上汽榮威950)FC(kW)

-11430電機(jī)（kW）80130113100電池(kW·h)22.5（能量型）60（能量型）1（功率型）11.8（能量型）表6-2電動汽車和燃料電池汽車的配置參數(shù)6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析1．方法和關(guān)鍵參數(shù)（1）初始成本

2）購置稅。車輛購置稅是計稅價格乘以稅率，其中計稅價格是以發(fā)票價格減去增值稅部分的購車款，車輛購置稅稅率為10%。即車輛購置稅=車輛價格/1.17*10%。

3）補(bǔ)貼。根據(jù)《關(guān)于調(diào)整新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》（財建〔2016〕958號）中規(guī)定的2017年新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案，購買EV150、EV300、FCV30和FCV114分別補(bǔ)貼2萬、4.4萬、18萬和20萬元。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析1．方法和關(guān)鍵參數(shù)（2）使用成本

本研究考慮的汽車使用成本包括燃料成本、維護(hù)保養(yǎng)成本、保險費(fèi)用、車船使用稅、路橋費(fèi)等。由于使用成本屬于跨期消費(fèi)，本研究引入現(xiàn)值分析理論，折現(xiàn)率取8%。

1）燃料成本。五類車型的能耗如表6-4所示。傳統(tǒng)汽油乘用車能耗采用工信部公布的2017年汽油乘用車平均燃料消耗量，取6.7L/100km。

2）非燃料使用成本。非燃料使用成本包括保險費(fèi)用、車輛使用稅、維護(hù)保養(yǎng)成本以及路橋費(fèi)。百公里能耗車輛類型單位能耗汽油車L/100km6.7EV150kW·h/100km12.2EV300kW·h/100km16.2FCV30kg/100km1.05FCV114kg/100km1.05表6-4五類車型的百公里燃料消耗量6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析2．結(jié)論及分析

綜合考慮初始成本和使用成本，計算出2017年、2020年、2025年和2030年成本條件下，不同

使用年限的五類車型的生命周期總保有成本，分別如圖6-5至圖6-8所示。

在2017年的政策環(huán)境下，補(bǔ)貼及購置稅優(yōu)惠政策可使EV150和FCV30的購置成本與汽油乘用車相當(dāng)，隨著保有年限的增長，EV150的總保有成本將持續(xù)低于汽油乘用車；FCV30的總保有成本將與汽油乘用車相當(dāng)或略高于汽油乘用車（差距在1-5萬人民幣以內(nèi)）；EV300的總保有成本將持續(xù)高于汽油乘用車，并在保有年限接近20年時與汽油乘用車的保有成本接近；FCV114即使在保有年限達(dá)到20年的情況下，成本也將一直高于汽油乘用車（見圖6-5）。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析2．結(jié)論及分析圖6-52017年五類車型的生命周期總成本6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析2．結(jié)論及分析圖6-62020年五類車型的生命周期總成本6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析2．結(jié)論及分析圖6-72025年五類車型的生命周期總成本6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.2燃料電池汽車和電動汽車的全生命周期成本對比分析2．結(jié)論及分析圖6-82030年五類車型的生命周期總成本6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析1．分析方法及數(shù)據(jù)來源（1）方法與模型

本研究應(yīng)用美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的GREET2016模型進(jìn)行燃料生命周期能源消耗和溫室氣體排放及污染物排放的模擬。GREET模型中車用燃料生命周期（WTW）的分析包括原料、燃料和車輛運(yùn)行這三個階段。原料和燃料階段合稱為WTP階段（WelltoPump，礦井到加油站，即上游階段），車輛運(yùn)行階段稱為PTW階段（Pump-to-Wheels，加油站到車輪，即下游階段）。（2）制氫路徑分析

典型的氫氣制取路徑包括作為工業(yè)副產(chǎn)品的焦?fàn)t煤氣制氫、天然氣重整制氫、水電解制氫、可再生能源如風(fēng)電和太陽能等電解水制氫等，其他在研究的制氫方式包括生物質(zhì)暗發(fā)酵制氫、固體氧化物電解制氫、生物高溫裂解油重整制氫等非化石能源的天然氣重整制氫。通過調(diào)研氫能制取技術(shù)并考慮國內(nèi)現(xiàn)有的制氫路徑，本研究涵蓋的制氫方式包括天然氣重整制氫、水電解制氫、太陽能電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t煤氣制氫。儲存和運(yùn)輸方式包括集中式制氫-液氫卡車運(yùn)輸、加氫站制氫兩種方式，加氫方式則考慮70MPa的氫瓶加氫（見表6-6）。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析1．分析方法及數(shù)據(jù)來源（2）制氫路徑分析

路徑制氫原料加氫站制氫或集中式制氫運(yùn)輸方式加氫方式焦?fàn)t煤氣制氫焦?fàn)t煤氣集中式液態(tài)，卡車700bar天然氣重整制氫1天然氣集中式液態(tài)，卡車700bar天然氣重整制氫2天然氣加氫站氣態(tài)，不適用700bar水電解制氫水加氫站氣態(tài)，不適用700bar太陽能電解水制氫水加氫站氣態(tài)，不適用700bar表6-6本研究涵蓋的制氫路徑6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析1．分析方法及數(shù)據(jù)來源（3）車輛運(yùn)行階段能耗分析1）傳統(tǒng)汽油乘用車、電動和燃料電池乘用車運(yùn)行階段能耗比較。

目前，我國市場上并沒有燃料電池乘用車。本田、現(xiàn)代和豐田均有車型在美國市場銷售。根據(jù)美國環(huán)保部對各車型的能耗評估結(jié)果（見表6-7），本研究采用三種車型的平均值1.05kg/100km。參數(shù)2017本田Clarity2017現(xiàn)代Tucson2017豐田Mirai綜合工況下能耗（kg/100km）0.951.80.93續(xù)駛里程（km）366265312車輛類別中型轎車小型SUV緊湊型轎車參數(shù)2017本田Clarity2017現(xiàn)代Tucson2017豐田Mirai電機(jī)類型交流永磁同步電（130kW）交流感應(yīng)電機(jī)（100kW）交流感應(yīng)電機(jī)（56kW）電池346V鋰離子電池180V鋰離子電池245V鎳氫電池表6-7燃料電池汽車基本性能參數(shù)6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析1．分析方法及數(shù)據(jù)來源（3）車輛運(yùn)行階段能耗分析2）傳統(tǒng)柴油公交車、電動和燃料電池公交車運(yùn)行階段能耗比較。

我國已開展兩期燃料電池公交車的示范，但只有2008年和2010年的運(yùn)行數(shù)據(jù)。美國可再生能源國家實(shí)驗(yàn)室2009-2016年分別對美國運(yùn)行的燃料電池公交車的情況進(jìn)行了評估。評估方式是將燃料電池公交車與同工況下運(yùn)行的傳統(tǒng)柴油車或天然氣公交車進(jìn)行比較，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的可比性，純電動公交車的運(yùn)行階段能耗也采用美國的測試數(shù)據(jù)，三種能源類型的公交車運(yùn)行階段能耗如表6-8所示。公交車能源類型（12米）百公里能耗傳統(tǒng)柴油車55L/100km燃料電池公交車10.1kg/100km純電動公交車120kW·h/100km表6-8三種能源類型的公交車運(yùn)行階段能耗6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析2．燃料電池汽車生命周期能耗和排放分析（1）燃料電池乘用車生命周期能耗和溫室氣體排放分析

燃料電池汽車在車輛運(yùn)行階段實(shí)現(xiàn)了零排放，其全生命周期的溫室氣體排放主要集中在上游階段。與傳統(tǒng)車相比，燃料電池汽車全生命周期的溫室氣體排放根據(jù)制氫路徑的不同會有很大差異。當(dāng)氫氣來自電解水制氫和集中式天然氣重整制氫時，燃料電池乘用車并沒有體現(xiàn)出減排優(yōu)勢：加氫站內(nèi)天然氣重整制氫和焦?fàn)t煤氣制氫兩種氫氣生產(chǎn)路徑能使燃料電池汽車分別減排18%和33%。煤制氫則增加了32.7%的溫室氣體排放，利用網(wǎng)電電解水制氫將增加120%的溫室氣體排放，太陽能電解水制氫生命周期內(nèi)的溫室氣體實(shí)現(xiàn)了零排放。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析2．燃料電池汽車生命周期能耗和排放分析（1）燃料電池乘用車生命周期能耗和溫室氣體排放分析圖6-10不同氫能生產(chǎn)路徑下，燃料電池乘用車的溫室氣體減排效益6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析2．燃料電池汽車生命周期能耗和排放分析（1）燃料電池乘用車生命周期能耗和溫室氣體排放分析圖6-11不同氫能生產(chǎn)路徑下，燃料電池乘用車的化石能源消耗6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析2．燃料電池汽車生命周期能耗和排放分析（1）燃料電池乘用車生命周期能耗和溫室氣體排放分析圖6-12不同氫能生產(chǎn)路徑下，燃料電池乘用車的總能耗6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.3燃料電池汽車全生命周期的能源消耗和環(huán)境影響分析2．燃料電池汽車生命周期能耗和排放分析（2）燃料電池公交車生命周期能耗和溫室氣體排放分析

在生命周期的溫室氣體排放方面，與傳統(tǒng)柴油公交車相比，氫能來源為焦?fàn)t煤氣制氫、集中式天然氣重整制氫、加氫站天然氣重整制氫的燃料電池公交車，分別減排49%、10%和37%。若直接用網(wǎng)電電解水制氫將增加69%的溫室氣體排放，而采用太陽能電解水階段，燃料電池汽車可以大幅削減其排放量。對于NOx和PM兩種污染物，其減排效果則不如VOC和CO明顯。

從上游氫能來源來看，在目前我國的發(fā)電結(jié)構(gòu)下，電解水制氫用于燃料電池汽車，與傳統(tǒng)汽油車相比并不具有節(jié)能和減排優(yōu)勢，但是在可再生電力比較豐富的地區(qū)利用電解水制氫驅(qū)動燃料電池汽車將帶來節(jié)能和減排優(yōu)勢；未來隨著電力系統(tǒng)的清潔化發(fā)展，電解水制氫路徑也會帶來一定的減排效益，而太陽能電解水制氫將使燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)生命周期的零溫室氣體排放和零化石能源消耗。與此同時，焦?fàn)t煤氣制氫、天然氣重整制氫路徑都將使燃料電池汽車具有節(jié)能和減排效益。6.2燃料電池汽車和電動汽車對比分析6.2.4燃料電池汽車加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)總投資成本核算與比較1．分析方法及關(guān)鍵參數(shù)

車輛關(guān)鍵參數(shù)假定：本研究采用的兩種車型年均行駛里程為15000km；電動汽車的能耗對標(biāo)典型B級車，取22kW·h/100km；燃料電池汽車的能耗以商業(yè)化規(guī)模最大的豐田Mirai為參照，取1.05kg/100km。根據(jù)車輛關(guān)鍵參數(shù)核算，可以得到不同車輛規(guī)模情景下，電動汽車和燃料電池汽車的電量需求和加氫需求。具體參數(shù)和計算結(jié)果如表6-9所示。車輛規(guī)模及運(yùn)行參數(shù)純電動汽車燃料電池汽車車輛規(guī)模（萬輛）年均行駛里程（km）百公里電耗（kW·h/100km）電量需求（GW·h/年）耗氫量(kg/100km)氫需求（萬噸/年）11500022271.050.157510