氢能与燃料电池电动汽车第6章 燃料电池汽车

氢能与燃料电池电动汽车HydrogenEnergy&FuelCellElectricVehicle机械工业出版社目录第6章燃料电池汽车6.1全球燃料电池汽车产业发展6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.3质子交换膜燃料电池系统在车上的控制6.4燃料电池汽车系统6.5世界燃料电池汽车的发展6.6国内氢能产业发展及运行情况

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期1.日本燃料电池汽车技术发展和示范推广处于全球领先地位

日本政府高度重视燃料电池汽车的发展。2017年12月，日本政府发布了《氢能基本战略》，描绘了从2020年到2050年的战略蓝图。根据该战略，到2020年，日本燃料电池汽车保有量将达4万辆，到2030年达8万辆；同时大力开展对燃料电池卡车的研发，到2050年，燃料电池汽车将替代新增传统燃油车。2018年10月在日本举办的第一届氢能部长级会议上，会议代表集中探讨了打造氢能可持续发展社会的愿景，达成了协调促进氢能与燃料电池技术和标准法规的发展、促进信息共享、加强国际合作、加强氢能跨领域研究和科普宣传等四个方面的共识。为了实现《氢能基本战略》的目标，日本也在不断加大燃料电池汽车技术研发投入。2018年，日本经济产业省（METI）在氢能与燃料电池产业研发上的总投入达到2.6亿美元。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期1.日本燃料电池汽车技术发展和示范推广处于全球领先地位

日本燃料电池汽车以乘用车为主，其燃料电池技术走在世界前列。丰田、本田汽车公司所研发的燃料电池乘用车整体性能可媲美传统燃油车，已在世界上率先迈入量产化阶段。丰田汽车公司经过20多年的技术积累，于2014年推出了量产燃料电池汽车MIRAI。本田汽车公司也一直致力于燃料电池汽车技术的开发，并于2018年推出了燃料电池汽车Clarityo目前，丰田MIRAI、本田Clarity已投放北美、欧洲和日本本土市场。截至2018年8月，日本燃料电池汽车保有量达2700辆。在燃料电池技术已达到量产水平的情况下，日本计划以2020年东京奥运会为契机，积极推广燃料电池汽车。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期2．韩国一直致力于燃料电池汽车的技术开发和推广应用

韩国企业积极开展对燃料电池汽车技术的研发。2018年，现代汽车在途胜ix燃料电池汽车的基础上，通过专用平台打造了全新一代NEXO燃料电池汽车，技术状态达全球领先水平。在燃料电池商用车方面，继成功开发了第一代、第二代燃料电池大巴车后，2018年2月平昌冬奥会期间，现代汽车推出了第三代燃料电池大巴车。2018年9月19日，现代汽车在德国举办的汉诺威国际商用车展览会（IAA）上推出现代首款燃料电池概念卡车，并与瑞士H2Energy公司签署《关于提供氢燃料电池重卡产品的谅解备忘录》，自2019年开始，现代汽车将在5年时间内向H2Energy公司提供1000辆氢燃料电池重卡。

韩国政府也在积极开展燃料电池汽车推广工作。截至2018年8月，韩国燃料电池汽车保有量为422辆。韩国政府计划在2018年底新增726辆燃料电池汽车；到2019年新增2000辆燃料电池汽车；到2030年新增63万辆燃料电池汽车，届时新增燃料电池汽车占韩国新车的比例将达到10%。韩国政府推行的环保汽车示范项目，已经促进燃料电池汽车在首尔、光州、蔚山、昌原、忠清南道等设有加氢站的城市的销售。韩国政府还加大了对燃料电池大巴车的示范力度，目前韩国中央政府已与首尔、蔚山等5个地方政府合作展开燃料电池大巴车的示范运行，并将于2019年示范运行20辆燃料电池大巴车。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期3．欧洲燃料电池汽车已经步入市场导入期

欧洲企业研发燃料电池汽车的起步很早。在政策和资金的持续支持下，欧洲逐步培育起一大批优秀的燃料电池企业，各整车厂也纷纷研发和推出燃料电池汽车。戴姆勒-奔驰先后推出多款燃料电池乘用车和客车，奔驰于2017年推出首款插电式混合动力燃料电池汽车GLCF-Cell；奥迪在2016年发布了H-Tronquattro燃料电池概念车；宝马汽车正在开发燃料电池汽车，并计划2021年实现小规模量产；沃尔沃也公布了燃料电池汽车研发计划。

欧盟及欧洲各国也非常支持氢能与燃料电池的研发和示范应用。2008年5月，欧盟委员会、欧洲工业和研究组织共同出台了公私合营的燃料电池与氢能联合行动计划（FCHJU），支持欧洲氢能与燃料电池的研发、示范与推广应用。目前，该一揽子计划已进行到第二期（2014~2020年），总经费超过13.3亿欧元。一些国家也在积极开展示范应用。比如，法国在2018年6月推出了“氢能计划”，提出到2023年推广5000辆轻型商用车、200辆重型卡车；到2028年，推广2万辆以上轻型商用车和800辆以上重型卡车。挪威计划至2023年引进1000辆燃料电池重卡。通过一系列项目的开展，欧洲燃料电池汽车目前已经步入了市场导入的早期阶段。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期4．美国燃料电池已实现多种形式应用

美国政府高度重视氢能与燃料电池的发展，不断推动氢能与燃料电池技术在交通运输及其他若干领域的发展。美国政府发布的《美国优先能源战略》，将重点支持氢能与燃料电池领域的前沿技术研发。在多方支持下，美国的氢能与燃料电池已实现多种形式应用。根据美国能源部(U.S.DepartmentofEnergy)统计，2017年，美国用于销售和租赁的燃料电池乘用车超过5600辆，正在示范运行的燃料电池巴士超过30辆，燃料电池叉车超过2万辆，燃料电池作为备用电池的出货量超过240MW。

在示范运营方面，无论是通过联邦政府还是通过各大州的倡议，美国都大力支持燃料电池在巴士和公交领域的示范运营。美国联邦运输管理局为国家燃料电池巴士项目提供9000万美元的资金支持，其他如LoNo(LoworNoEmissionDeployment)项目，正有力地推动燃料电池巴士在多个州的示范运营。在诸多项目的支持下，目前美国加州已有25辆NewFlyer和ElDorado燃料电池巴士处于示范运行中，斯塔克地区运营的燃料电池巴士已增至13辆。除此之外，伊利诺伊州和夏威夷州的燃料电池巴士也已开展小批量示范运营，其中作为“夏威夷的清洁能源计划”的一部分，夏威夷将在火奴鲁鲁市国际机场推动燃料电池巴士的示范运行。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期5．中国燃料电池商用车示范应用取得突破性进展

受技术储备、基础设施及综合成本等多种因素的影响，近年来，我国燃料电池商用车实现了快速发展，发展速度明显快于燃料电池乘用车。经过十几年的研发投入，我国燃料电池技术趋于成熟，以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞驰等为代表的燃料电池客车正逐步开始市场化进程，燃料电池物流车目前也已具备商业化发展条件。根据中国汽车工业协会统计，截至2018年12月，我国燃料电池汽车销售量已达到1527辆。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.1燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期5．中国燃料电池商用车示范应用取得突破性进展

各地方政府支持燃料电池汽车商业化示范运行的热情高涨。北京、上海、如皋、盐城、常州、佛山、云浮、张家口、郑州等已设立了燃料电池公交专用线。自2003年至2011年，由全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”，已分别在北京、上海实施两期。2016年8月，第三期项目在上海正式启动，项目将在北京、上海、郑州、盐城、如皋、常熟、佛山示范运行119辆燃料电池汽车。江苏如皋当选为联合国开发计划署“氢经济示范城市”，在氢经济示范领域发挥着举足轻重的作用。与此同时，近年来不少物流企业对燃料电池汽车的发展也很重视。京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车，其中京东经过数月试运行，最终在上海投入超过150辆燃料电池物流车进行正式日常运营，燃料电池汽车在物流行业的规模化应用已初见成效。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.2燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破1．燃料电池电堆及系统技术快速发展

燃料电池电堆对燃料电池汽车的关键性能影响很大。目前，国外燃料电池电堆已形成批量化生产能力，并已广泛运用于燃料电池乘用车及商用车上。比如，加拿大Ballard公司研发的石墨双极板燃料电池电堆，其耐久性已突破25000小时。丰田、本田等汽车公司也相继开发出金属双极板燃料电池系统，功率密度达到3.1W/L，耐久性突破了5000小时。

近年来，我国车用燃料电池电堆及系统技术得到了快速发展。目前，我国已掌握了车用燃料电池核心技术，已具备开展大规模示范运行的条件。新源动力、亿华通、重塑、弗尔赛等燃料电池电堆及系统生产厂家生产的电堆，在功率密度、寿命和低温性能方面都有明显提升。新源动力开发的高性能大功率燃料电池电堆额定功率达到60kW，可以实现-20无无辅助低温启动和-302低温储存；其新开发的燃料电池电堆经台架测试和整车应用验证，突破了车用燃料电池5000小时的耐久性难关，成为我国首例自主研发的超越5000小时耐久性的燃料电池产品之一。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.2燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破2．膜电极技术取得重要提升

燃料电池膜电极（Membrane&ElectrodeAssembly，MEA）是燃料电池电堆的核心零部件。当前应用最为广泛的膜电极，采用CCM（CatalystCoatedMembrane）技术，即催化剂直接或间接涂覆在质子交换膜上，形成催化层-膜-催化层三合一整体，然后与气体扩散层组装成MEAO经过多年发展，MEA性能和寿命都得到了很大提升。

国际上，Ballard、丰田、Gore等企业处于技术领先地位。丰田自主研发的MEA供其燃料电池汽车使用，代表世界最先进燃料电池技术的丰田MIRAI搭载的电堆功率密度达3.1W/L，Pt载量已降至0.365mg/cm2，单体寿命达5000小时。多数国际MEA生产商已具备连续化批量生产能力，产能最大可达每年数万平方米。

国内MEA经过十几年的研发，已取得较大进展，关键技术指标已接近国际先进水平。中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学等在国家“863”项目支持下进行了基于GDE(GasDiffusionElectrode)和CCM技术的低成本、高性能MEA研究，目前研发的新一代MEA单体寿命突破5000小时，电堆功率密度达7W/L，预计到2020年能实现功率密度达3.1W/L的目标。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.2燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破3．金属双极板朝着高性能、低成本趋势发展

双极板是燃料电池的重要部件，开发高性能、低成本的金属双极板成为未来双极板发展的趋势。世界各大汽车和零部件制造商，如丰田、本田、通用、宝马等，均大力开展金属双极板的研发与量产。丰田MIRAI搭载的燃料电池电堆采用金属双极板，并将条形流场改为3D流场，大幅提高了传质能力，同时还降低了浓差极化。此外，为生产高质量、高可靠性的金属双极板，丰田通过对金属双极板成型、连接、表面改性等多个工艺的集成化制造，不仅降低了生产成本，也使产品质量和鲁棒性等性能完全达到复杂工况的要求。

国产双极板经过多年技术积累，在极板设计、高精度一致性、耐久性等方面都有所突破。比如，上海交通大学/上海治臻团队开发的高深宽比细密流道超薄金属双极板，高度偏差可控制在土15um，已达到国际先进水平。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.2燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破4．空压机已形成配套能力

国外的燃料电池汽车开发历史较长，与之配套的供应商起步也较早。整体而言，国外空压机产品技术相对领先，在转子、轴承、高速电机、控制机等方面都积累了相当多的经验，拥有很多发明专利。这些企业大多有丰富的汽车配件开发经验，能按照汽车制造商的需求进行针对性开发，产品的均一性较好。

相对而言，国内燃料电池压缩机起步时间其实并不晚，西安交通大学、浙江大学等高校承担过多个对燃料电池空压机进行研发的国家“863”和“973”课题，开发的样机也不乏亮点。但由于缺乏专业的制造商参与，在产业化方面进展较为缓慢。随着近两年国内燃料电池产业的蓬勃发展，国内空压机企业正迎头赶上，目前已经有几家企业实现了空压机的批量化生产。未来，空压机将朝着大流量和大压力、高集成度、节能高效、全工况下快速响应等趋势发展。

6.1全球燃料电池汽车产业发展6.1.2燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破5．高压化、轻量化、高安全性是车载供氢系统技术发展方向

国外燃料电池汽车以乘用车为主，所以多为70MPa车载供氢系统。加拿大Dynetek公司、美国Quantum公司、日本丰田和本田等都已具备70MPa车载供氢系统的世界领先技术。在储氢气瓶方面，国外已完成对IV型瓶安全性、耐久性等方面的全面测试，并形成了一整套完备的法律法规，目前国外几乎所有整车企业的燃料电池汽车都使用IV型瓶。

国内燃料电池汽车以公交车、物流车为主，因此主要关注35MPa车载供氢系统。比如，张家港富瑞特装自主研发的35MPa供氢系统已进行了小批量示范应用，70MPa集成瓶口阀正处于研发阶段。目前，我国车载供氢系统与国外先进水平相比仍有差距，但随着国内车载供氢系统研发的积累、标准体系的进一步完善，我国车载供氢系统技术具有迎头赶上的基本条件。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析1．燃料电池汽车和电动汽车的总体发展情况（1）燃料电池汽车进入产业化加速发展的新阶段

从国际上看，在各国政府的大力支持下，以丰田、本田、现代等为代表的部分车企经过多年的关键技术攻关、技术考核验证和特定用途领域商业化示范，基本解决了燃料电池电堆及整车的核心技术问题，开发出的整车性能已能够达到传统能源汽车水平。燃料电池汽车于2015年面向私人用户销售，开始规模化进入市场。截至2017年，全球累计销量已超过6000辆。与此同时，全球氢能供应基础设施建设步伐也在加快，已经建设运营的加氢站超过320座。

从国内来看，在国家科技计划和产业技术创新工程等项目的支持下，我国持续开展了燃料电池汽车的研究开发工作，基本形成了从燃料电池电堆、燃料电池动力系统到燃料电池整车的配套研发体系及生产制造能力，并在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、深圳大运会等重大活动期间进行了小规模的示范考核。在新能源汽车推广财政补贴政策以及科技部与联合国开发计划署国际合作项目的支持引领下，我国以客车、物流车等商用车型为先导陆续启动了示范推广，目前累计运行车辆超过1000辆，建设加氢站11座，在建23座。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析1．燃料电池汽车和电动汽车的总体发展情况（2）全球电动汽车的产销量和保有量维持快速增长态势

图6-1全球电动汽车销量及中国占比6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析1．燃料电池汽车和电动汽车的总体发展情况（2）全球电动汽车的产销量和保有量维持快速增长态势

图6-2全球新能源汽车保有量及中国占比6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析1．燃料电池汽车和电动汽车的总体发展情况（2）全球电动汽车的产销量和保有量维持快速增长态势

图6-3充电桩数量变化率6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析2．使用特征对比（1）续驶里程和燃料加注

燃料电池汽车与传统燃油车在续驶里程和燃料加注时间上均比较接近。国际上在售燃料电池汽车的主要参数如表6-1所示。可以看到，国外的主要车型均以燃料电池动力系统为主要动力源，匹配的动力电池能量在1kW·h左右；车载储氢系统多采用70MPa，续驶里程在600-750km，加氢时间在3~5分钟。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析2．使用特征对比（1）续驶里程和燃料加注

丰田Mirai现代1X35本田Clarity现代NEXO车重（kg）1850229018752210燃料电池动力系统功率（kW）114124103135电机参数（kW.Nm）113335100300130300120395电池参数（kW·h）1.6（镣氢电池）0.95（锂离子电池）—1.56（锂离子电池）续驶里程（km）650594750754表6-1目前在售燃料电池汽车的主要参数6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析2．使用特征对比（2）运营环境限制和消防安全因素

极端环境（例如低温、高温等）将会导致燃料电池汽车和电动汽车性能下降。极端的温度环境将影响动力电池的性能，并且空调的开启还会带来额外的动力电池负荷。与此同时，低于结冰温度时，燃料电池的残余水可能将严重影响燃料电池的性能。因此，要保证燃料电池的高效运行，需要一定的运行温度区间。

燃料电池汽车和电动汽车都面临不同程度的安全问题，其中需要重点关注消防安全问题。由于电动汽车和燃料电池汽车都存在高压电气系统、动力电池或者氢气等触电或火灾风险因素，二者都需要特殊的消防安全设计、运营维修和应急救援培训。从燃料电池汽车来看，需要考虑其高压电气系统、高压氢气的存储系统及使用过程、氢气加注、车辆维修和停车以及泄漏检测等方面存在的安全风险，并建立防范机制和应对体系。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.1燃料电池汽车和电动汽车总体发展情况和技术对比分析2．使用特征对比（3）燃料与可再生能源的融合

氢能和电力都是重要的二次能源，氢能和燃料电池技术以及动力电池技术的发展应用也都有利于促进可再生能源的发展。

在电动汽车大规模发展的情况下，电动汽车在行驶过程中消耗的能量来自电网充电，同时，电动汽车和动力电池作为储能装置，也可以作为优化和保障电网运行的储能单元；特别是在大规模可再生能源接入的情景下，电动汽车和动力电池可通过智能充电、V2G（车-网）等技术实现电力的有序充放，提高电力系统的稳定性和可靠性。

在未来以氢能为基础的氢能经济愿景中，一方面，氢能将支撑大规模可再生能源接入能源系统，同时作为储能系统实现可再生能源的跨部门和跨区域分配，提高能源供应系统的稳定性和可靠性；另一方面，氢能将广泛应用于交通、工业、建筑等社会主要用能部门，实现能源的清洁化利用。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析1．方法和关键参数

本研究基于消费者视角，建立了汽车生命周期的总成本评价模型（见图6-4）。汽车生命周期的总成本包括初始成本、使用成本和报废回收成本三大模块。由于新能源汽车二手车交易市场仍未完全建立，还没有成熟的在用及报废新能源汽车的报废回收成本估计方法，因此本研究核算中并未考虑报废回收成本。汽车生命周期的成本构成计算公式如下：图6-4汽车生命周期成本构成6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析

6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析1．方法和关键参数（1）初始成本

本研究中，车辆的初始成本包括了车辆的购置成本、购置税、注册费、补贴等因素。每类车型的注册费约500元，其他成本详细分析如下。

1）购置成本。将B级汽油乘用车作为基准车型，EV150、EV300、FCV30和FCV114四类车型的配置参数如表6-2所示。参数EV150EV300FCV114(丰田Mirai)FCV30(上汽荣威950)FC(kW)

-11430电机（kW）80130113100电池(kW·h)22.5（能量型）60（能量型）1（功率型）11.8（能量型）表6-2电动汽车和燃料电池汽车的配置参数6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析1．方法和关键参数（1）初始成本

2）购置税。车辆购置税是计税价格乘以税率，其中计税价格是以发票价格减去增值税部分的购车款，车辆购置税税率为10%。即车辆购置税=车辆价格/1.17*10%。

3）补贴。根据《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》（财建〔2016〕958号）中规定的2017年新能源汽车推广补贴方案，购买EV150、EV300、FCV30和FCV114分别补贴2万、4.4万、18万和20万元。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析1．方法和关键参数（2）使用成本

本研究考虑的汽车使用成本包括燃料成本、维护保养成本、保险费用、车船使用税、路桥费等。由于使用成本属于跨期消费，本研究引入现值分析理论，折现率取8%。

1）燃料成本。五类车型的能耗如表6-4所示。传统汽油乘用车能耗采用工信部公布的2017年汽油乘用车平均燃料消耗量，取6.7L/100km。

2）非燃料使用成本。非燃料使用成本包括保险费用、车辆使用税、维护保养成本以及路桥费。百公里能耗车辆类型单位能耗汽油车L/100km6.7EV150kW·h/100km12.2EV300kW·h/100km16.2FCV30kg/100km1.05FCV114kg/100km1.05表6-4五类车型的百公里燃料消耗量6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析2．结论及分析

综合考虑初始成本和使用成本，计算出2017年、2020年、2025年和2030年成本条件下，不同

使用年限的五类车型的生命周期总保有成本，分别如图6-5至图6-8所示。

在2017年的政策环境下，补贴及购置税优惠政策可使EV150和FCV30的购置成本与汽油乘用车相当，随着保有年限的增长，EV150的总保有成本将持续低于汽油乘用车；FCV30的总保有成本将与汽油乘用车相当或略高于汽油乘用车（差距在1-5万人民币以内）；EV300的总保有成本将持续高于汽油乘用车，并在保有年限接近20年时与汽油乘用车的保有成本接近；FCV114即使在保有年限达到20年的情况下，成本也将一直高于汽油乘用车（见图6-5）。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析2．结论及分析图6-52017年五类车型的生命周期总成本6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析2．结论及分析图6-62020年五类车型的生命周期总成本6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析2．结论及分析图6-72025年五类车型的生命周期总成本6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.2燃料电池汽车和电动汽车的全生命周期成本对比分析2．结论及分析图6-82030年五类车型的生命周期总成本6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析1．分析方法及数据来源（1）方法与模型

本研究应用美国阿贡国家实验室开发的GREET2016模型进行燃料生命周期能源消耗和温室气体排放及污染物排放的模拟。GREET模型中车用燃料生命周期（WTW）的分析包括原料、燃料和车辆运行这三个阶段。原料和燃料阶段合称为WTP阶段（WelltoPump，矿井到加油站，即上游阶段），车辆运行阶段称为PTW阶段（Pump-to-Wheels，加油站到车轮，即下游阶段）。（2）制氢路径分析

典型的氢气制取路径包括作为工业副产品的焦炉煤气制氢、天然气重整制氢、水电解制氢、可再生能源如风电和太阳能等电解水制氢等，其他在研究的制氢方式包括生物质暗发酵制氢、固体氧化物电解制氢、生物高温裂解油重整制氢等非化石能源的天然气重整制氢。通过调研氢能制取技术并考虑国内现有的制氢路径，本研究涵盖的制氢方式包括天然气重整制氢、水电解制氢、太阳能电解水制氢、工业副产的焦炉煤气制氢。储存和运输方式包括集中式制氢-液氢卡车运输、加氢站制氢两种方式，加氢方式则考虑70MPa的氢瓶加氢（见表6-6）。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析1．分析方法及数据来源（2）制氢路径分析

路径制氢原料加氢站制氢或集中式制氢运输方式加氢方式焦炉煤气制氢焦炉煤气集中式液态，卡车700bar天然气重整制氢1天然气集中式液态，卡车700bar天然气重整制氢2天然气加氢站气态，不适用700bar水电解制氢水加氢站气态，不适用700bar太阳能电解水制氢水加氢站气态，不适用700bar表6-6本研究涵盖的制氢路径6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析1．分析方法及数据来源（3）车辆运行阶段能耗分析1）传统汽油乘用车、电动和燃料电池乘用车运行阶段能耗比较。

目前，我国市场上并没有燃料电池乘用车。本田、现代和丰田均有车型在美国市场销售。根据美国环保部对各车型的能耗评估结果（见表6-7），本研究采用三种车型的平均值1.05kg/100km。参数2017本田Clarity2017现代Tucson2017丰田Mirai综合工况下能耗（kg/100km）0.951.80.93续驶里程（km）366265312车辆类别中型轿车小型SUV紧凑型轿车参数2017本田Clarity2017现代Tucson2017丰田Mirai电机类型交流永磁同步电（130kW）交流感应电机（100kW）交流感应电机（56kW）电池346V锂离子电池180V锂离子电池245V镍氢电池表6-7燃料电池汽车基本性能参数6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析1．分析方法及数据来源（3）车辆运行阶段能耗分析2）传统柴油公交车、电动和燃料电池公交车运行阶段能耗比较。

我国已开展两期燃料电池公交车的示范，但只有2008年和2010年的运行数据。美国可再生能源国家实验室2009-2016年分别对美国运行的燃料电池公交车的情况进行了评估。评估方式是将燃料电池公交车与同工况下运行的传统柴油车或天然气公交车进行比较，为保持数据的可比性，纯电动公交车的运行阶段能耗也采用美国的测试数据，三种能源类型的公交车运行阶段能耗如表6-8所示。公交车能源类型（12米）百公里能耗传统柴油车55L/100km燃料电池公交车10.1kg/100km纯电动公交车120kW·h/100km表6-8三种能源类型的公交车运行阶段能耗6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析2．燃料电池汽车生命周期能耗和排放分析（1）燃料电池乘用车生命周期能耗和温室气体排放分析

燃料电池汽车在车辆运行阶段实现了零排放，其全生命周期的温室气体排放主要集中在上游阶段。与传统车相比，燃料电池汽车全生命周期的温室气体排放根据制氢路径的不同会有很大差异。当氢气来自电解水制氢和集中式天然气重整制氢时，燃料电池乘用车并没有体现出减排优势：加氢站内天然气重整制氢和焦炉煤气制氢两种氢气生产路径能使燃料电池汽车分别减排18%和33%。煤制氢则增加了32.7%的温室气体排放，利用网电电解水制氢将增加120%的温室气体排放，太阳能电解水制氢生命周期内的温室气体实现了零排放。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析2．燃料电池汽车生命周期能耗和排放分析（1）燃料电池乘用车生命周期能耗和温室气体排放分析图6-10不同氢能生产路径下，燃料电池乘用车的温室气体减排效益6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析2．燃料电池汽车生命周期能耗和排放分析（1）燃料电池乘用车生命周期能耗和温室气体排放分析图6-11不同氢能生产路径下，燃料电池乘用车的化石能源消耗6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析2．燃料电池汽车生命周期能耗和排放分析（1）燃料电池乘用车生命周期能耗和温室气体排放分析图6-12不同氢能生产路径下，燃料电池乘用车的总能耗6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.3燃料电池汽车全生命周期的能源消耗和环境影响分析2．燃料电池汽车生命周期能耗和排放分析（2）燃料电池公交车生命周期能耗和温室气体排放分析

在生命周期的温室气体排放方面，与传统柴油公交车相比，氢能来源为焦炉煤气制氢、集中式天然气重整制氢、加氢站天然气重整制氢的燃料电池公交车，分别减排49%、10%和37%。若直接用网电电解水制氢将增加69%的温室气体排放，而采用太阳能电解水阶段，燃料电池汽车可以大幅削减其排放量。对于NOx和PM两种污染物，其减排效果则不如VOC和CO明显。

从上游氢能来源来看，在目前我国的发电结构下，电解水制氢用于燃料电池汽车，与传统汽油车相比并不具有节能和减排优势，但是在可再生电力比较丰富的地区利用电解水制氢驱动燃料电池汽车将带来节能和减排优势；未来随着电力系统的清洁化发展，电解水制氢路径也会带来一定的减排效益，而太阳能电解水制氢将使燃料电池汽车实现生命周期的零温室气体排放和零化石能源消耗。与此同时，焦炉煤气制氢、天然气重整制氢路径都将使燃料电池汽车具有节能和减排效益。6.2燃料电池汽车和电动汽车对比分析6.2.4燃料电池汽车加氢基础设施建设总投资成本核算与比较1．分析方法及关键参数

车辆关键参数假定：本研究采用的两种车型年均行驶里程为15000km；电动汽车的能耗对标典型B级车，取22kW·h/100km；燃料电池汽车的能耗以商业化规模最大的丰田Mirai为参照，取1.05kg/100km。根据车辆关键参数核算，可以得到不同车辆规模情景下，电动汽车和燃料电池汽车的电量需求和加氢需求。具体参数和计算结果如表6-9所示。车辆规模及运行参数纯电动汽车燃料电池汽车车辆规模（万辆）年均行驶里程（km）百公里电耗（kW·h/100km）电量需求（GW·h/年）耗氢量(kg/100km)氢需求（万吨/年）11500022271.050.157510