不同應(yīng)用場(chǎng)景下燃料電池與純電動(dòng)汽車(chē)成本對(duì)比分析

摘要：本文基于中、美、日三個(gè)國(guó)家對(duì)燃料電池和純電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化成本的測(cè)算數(shù)據(jù)，根據(jù)車(chē)用燃料電池系統(tǒng)動(dòng)力匹配的特點(diǎn)，分析了不同應(yīng)用場(chǎng)景下燃料電池與純電動(dòng)汽車(chē)的成本變化規(guī)律?？傮w上，燃料電池汽車(chē)在中重卡領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車(chē);應(yīng)用場(chǎng)景;成本分析

1 引言

自今年三月份氫能首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告以來(lái)，燃料電池汽車(chē)再次受到了廣泛關(guān)注，氫燃料電池汽車(chē)具有續(xù)航里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短，低溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在特定領(lǐng)域能夠彌補(bǔ)純電動(dòng)汽車(chē)的痛點(diǎn)，今年四月份工信部發(fā)言人也曾在發(fā)布會(huì)上表示，“從技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)看，純電動(dòng)汽車(chē)更適用于城市、短途、乘用車(chē)等領(lǐng)域，而氫燃料電池汽車(chē)更適用于長(zhǎng)途、大型、商用車(chē)等領(lǐng)域”。本文基于美國(guó)能源部（DOE）、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）和中國(guó)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》的成本目標(biāo)測(cè)算，分析了不同應(yīng)用場(chǎng)景下車(chē)用燃料電池與純電動(dòng)汽車(chē)的成本對(duì)比變化趨勢(shì)。

全球氣候變化引起了越來(lái)越多國(guó)家的重視，為了減少碳排放，汽車(chē)的碳減排法規(guī)提上日程并越來(lái)越嚴(yán)苛。雖然車(chē)企在不斷改進(jìn)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，提高能源利用率，同時(shí)降低二氧化碳排放量.但是憑借燃油車(chē)一己之力，將不能滿足日益嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)，這也為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)和變革。與電能相比，業(yè)內(nèi)認(rèn)為氫能源能實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零排放”，能量轉(zhuǎn)換效率也比較高，且為可再生能源，來(lái)源也比較豐富，因此氫能源將會(huì)是未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向之一。目前國(guó)外做的最好的豐田MIRAI和現(xiàn)代NEXO燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量已分別達(dá)到1萬(wàn)臺(tái)和2000余臺(tái);中國(guó)2017、2018兩年的燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量累計(jì)也有2000余輛，在上海、河北、河南、山東、廣東等地進(jìn)行示范運(yùn)行。

當(dāng)前燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的成本相比十分昂貴，以商用車(chē)為例，2017年底國(guó)內(nèi)第一款批量銷(xiāo)售的燃料電池汽車(chē) 上汽大通的FCV80燃料電池輕客，其售價(jià)高達(dá)人民幣130萬(wàn)元，扣除國(guó)家補(bǔ)貼50萬(wàn)元、地方補(bǔ)貼50萬(wàn)元后，其價(jià)格30萬(wàn)人民幣也比同款燃油車(chē)和純電動(dòng)版本更貴。自2017年以來(lái)，燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量每年都達(dá)到了千臺(tái)級(jí)，燃料電池系統(tǒng)的成本有所下降，但2018年燃料電池系統(tǒng)的成本仍然高達(dá)8000 - 10000元/千瓦，儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本也高達(dá)幾千元每公斤，以一輛燃料電池系統(tǒng)功率30kW、儲(chǔ)氫量5kg的系統(tǒng)為例，僅燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)的成本加起來(lái)就高達(dá)30萬(wàn)元。這樣的高成本并不會(huì)令人望而卻步，燃料電池汽車(chē)長(zhǎng)續(xù)航和零排放的優(yōu)勢(shì)，以及氫能作為清潔能源的優(yōu)勢(shì)，使燃料電池仍然作為一條重要的技術(shù)路線，受到歐美、日韓和我國(guó)的重視，2030年中國(guó)燃料電池汽車(chē)的規(guī)劃數(shù)量達(dá)到百萬(wàn)臺(tái)，歐洲和日韓2030 - 2040年燃料電池汽車(chē)規(guī)模也將達(dá)到百萬(wàn)級(jí)，燃料電池汽車(chē)的規(guī)?；图夹g(shù)進(jìn)步互相促進(jìn)，必然會(huì)導(dǎo)致其成本的大幅下降。2015年豐田推出的MIRAI燃料電池汽車(chē)，其成本相比于2008年推出的燃料電池汽車(chē)，下降了95%，便是一個(gè)令人振奮的消息。

美國(guó)能源部（DOE）對(duì)燃料電池系統(tǒng)的規(guī)模化生產(chǎn)成本的預(yù)測(cè)是，2020年成本達(dá)到40美元/kW，2030年成本達(dá)到30美元/kW; DOE對(duì)動(dòng)力電池成本目標(biāo)的預(yù)測(cè)是2020年成本達(dá)到236美元/kWh。

中國(guó)2017年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》對(duì)車(chē)用燃料電池系統(tǒng)提出的成本目標(biāo)是乘用車(chē)燃料電池系統(tǒng)成本2020年1500元/kW，2025年800元/kW，2030年200元/kW;商用車(chē)燃料電池系統(tǒng)成本2020年5000元/kW，2025年2000元/kW，2030年600元/kW;儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本2020年3000元/kg，2025年2000元/kg，2030年1800元/kg;對(duì)動(dòng)力電池提出的的成本目標(biāo)是2020年1000元/kWh，2025年900元/kWh，2030年800元/kWh。

日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）近日公布的《2040年日本國(guó)內(nèi)燃料電池目標(biāo)計(jì)劃》指出，燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)為2000日元/kW，氫瓶成本目標(biāo)為10萬(wàn)日元。

本文基于中國(guó)、美國(guó)和日本的成本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)車(chē)用燃料電池系統(tǒng)動(dòng)力匹配的特點(diǎn)，分析了燃料電池與純電動(dòng)卡車(chē)、客車(chē)和乘用車(chē)不同車(chē)型和應(yīng)用場(chǎng)景下的成本變化規(guī)律。

2 假設(shè)條件

燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主要構(gòu)成是燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和動(dòng)力電池。燃料電池系統(tǒng)通過(guò)燃料電池堆、氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的協(xié)同工作產(chǎn)生電能，儲(chǔ)氫系統(tǒng)存儲(chǔ)并提供氫氣，動(dòng)力電池在車(chē)輛啟動(dòng)、加減速等非穩(wěn)態(tài)下提供或回收能量。車(chē)型相似的情況下，燃料電池汽車(chē)的續(xù)駛里程主要取決于氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氫量，純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程主要取決于電池的容量，需要注意的是，鋰電池應(yīng)用于重型車(chē)輛時(shí)，鋰電池的自重不可忽略，以一輛續(xù)航里程200公里的30噸純電動(dòng)卡車(chē)為例，鋰離子電池容量約為400kWh，使用300Wh/kg的鋰離子電池，其電池自重就高達(dá)1.3噸，如果把續(xù)駛里程提高到800-1000公里，電池自重將高達(dá)6噸以上;而30噸的燃料電池卡車(chē)百公里氫耗預(yù)估為20kg左右，使用儲(chǔ)氫密度在5.7%的70MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)，續(xù)駛里程為1000公里時(shí)燃料電池系統(tǒng)與儲(chǔ)氫系統(tǒng)重量的總和僅2噸左右。

對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有燃料電池汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，車(chē)型和動(dòng)力性能相近的燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)和內(nèi)飾、車(chē)身等基本相同，因此本文的成本對(duì)比分析不計(jì)入電機(jī)和整車(chē)件，僅計(jì)入差異項(xiàng)，對(duì)于燃料電池汽車(chē)，計(jì)入燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)和動(dòng)力電池的成本總和，對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，計(jì)入動(dòng)力電池的成本。

3 卡車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景分析

本文選擇了4噸、8噸、30噸三種卡車(chē)車(chē)型，分析了每一種車(chē)型不同續(xù)駛里程下燃料電池與純電動(dòng)成本的變化趨勢(shì)。具體純電動(dòng)車(chē)型和燃料電池車(chē)型的參數(shù)信息來(lái)自于工信部的汽車(chē)公告信息、汽車(chē)企業(yè)的宣傳信息等。為了簡(jiǎn)化成本預(yù)測(cè)的方法，假設(shè)燃料電池系統(tǒng)的成本與功率呈線性關(guān)系，儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本與儲(chǔ)氫量呈線性關(guān)系，動(dòng)力電池成本與電池容量呈線性關(guān)系。為了成本分析的趨勢(shì)更具有代表性，選擇了燃料電池發(fā)展較好且有明確成本目標(biāo)規(guī)劃的中國(guó)、美國(guó)和日本的目標(biāo)成本，形成成本區(qū)間進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。 通過(guò)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，卡車(chē)的續(xù)駛里程低于100 - 150公里時(shí)，純電動(dòng)卡車(chē)的成本低于燃料電池卡車(chē)，而隨著續(xù)駛里程的增長(zhǎng)，燃料電池的成本優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，在100 - 150公里續(xù)駛里程時(shí)燃料電池成本開(kāi)始低于純電動(dòng)成本，續(xù)駛里程越長(zhǎng)，成本優(yōu)勢(shì)越明顯。通過(guò)對(duì)比不同車(chē)重的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，卡車(chē)的重量越大，燃料電池汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)越明顯，在續(xù)駛里程500公里處的成本優(yōu)勢(shì)以及非常明顯。對(duì)于重卡來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的柴油機(jī)重卡的續(xù)駛里程在500 - 1000公里之間，在這個(gè)續(xù)駛里程區(qū)間內(nèi)，燃料電池與純電動(dòng)相比優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。

4 客車(chē)及乘用車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景分析

通過(guò)對(duì)比輕型客車(chē)、8米城市客車(chē)、12米城市客車(chē)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在客車(chē)領(lǐng)域，規(guī)律與卡車(chē)相似，續(xù)駛里程低于100 - 200公里時(shí)，純電動(dòng)客車(chē)的具有成本優(yōu)勢(shì)，隨著續(xù)駛里程的增長(zhǎng)，燃料電池的成本優(yōu)勢(shì)逐漸增大，根據(jù)不同的車(chē)型二者成本持平的續(xù)駛里程在100 - 200公里，且客車(chē)的重量越大，燃料電池的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。但對(duì)于路線固定的城市客車(chē)來(lái)說(shuō)，100 - 200公里的續(xù)駛里程大多數(shù)情況下已經(jīng)基本可以滿足運(yùn)行需求，且有較為固定的夜間時(shí)間進(jìn)行充電，純電動(dòng)客車(chē)的噪聲也比燃料電池客車(chē)相對(duì)較小，因此在客車(chē)領(lǐng)域燃料電池的成本比純電動(dòng)有優(yōu)勢(shì)，但綜合其他因素而言，優(yōu)勢(shì)不如卡車(chē)。

對(duì)于乘用車(chē)，本文對(duì)比了A級(jí)車(chē)、B級(jí)車(chē)和C級(jí)車(chē)燃料電池與動(dòng)力電池成本的差異，同樣汽車(chē)的重量越大，燃料電池的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。但乘用車(chē)純電動(dòng)與燃料電池成本持平的續(xù)駛里程點(diǎn)在300 -500公里，與商用車(chē)（即客車(chē)和卡車(chē)）相比，燃料電池在乘用車(chē)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)沒(méi)有商用車(chē)明顯。

5 總結(jié)

從中、美、日三國(guó)對(duì)燃料電池商業(yè)化成本的長(zhǎng)期規(guī)劃和測(cè)算來(lái)看，燃料電池汽車(chē)與純電動(dòng)相比在重載、長(zhǎng)續(xù)航領(lǐng)域具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì)，目前燃料電池的商業(yè)化尚處于起步階段，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的燃料電池汽車(chē)成本都很高，但從長(zhǎng)期來(lái)看，回顧純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展歷史，也是一個(gè)技術(shù)不斷進(jìn)步，不斷規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化從而帶來(lái)成本下降的過(guò)程，我們相信技術(shù)進(jìn)步和規(guī)?；?yīng)也會(huì)推動(dòng)燃料電池汽車(chē)成本的下降，從而使其達(dá)到市場(chǎng)可按受的水平，能夠在重載、長(zhǎng)續(xù)航、商用車(chē)領(lǐng)域發(fā)揮其成本優(yōu)勢(shì)，與純電動(dòng)汽車(chē)互補(bǔ)共存，推動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)化的進(jìn)程3。另外，從市場(chǎng)容量的角度來(lái)看，一方面卡車(chē)的年銷(xiāo)量和市場(chǎng)容量遠(yuǎn)大于客車(chē)，另一方面在純電動(dòng)汽車(chē)“十城千輛”示范運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中已有相當(dāng)一部分城市的客車(chē)進(jìn)行了電動(dòng)化，留給燃料電池客車(chē)的市場(chǎng)空間被壓縮，未來(lái)燃料電池在中重卡領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)必將逐步顯現(xiàn)，中重卡將會(huì)是燃料電池汽車(chē)大規(guī)模商業(yè)化后重要的應(yīng)用場(chǎng)景。

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作者簡(jiǎn)介——

高婧：（1992.05.13-），女，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布人。單位：上海捷氫科技有限公司。職稱：助理工程師。學(xué)歷：研究生。研究方向：燃料電池。