不同應用場景下燃料電池與純電動汽車成本對比分析

摘要：本文基于中、美、日三個國家對燃料電池和純電動汽車商業化成本的測算數據，根據車用燃料電池系統動力匹配的特點，分析了不同應用場景下燃料電池與純電動汽車的成本變化規律。總體上，燃料電池汽車在中重卡領域具有明顯優勢。

關鍵詞：燃料電池汽車;應用場景;成本分析

1 引言

自今年三月份氫能首次寫入政府工作報告以來，燃料電池汽車再次受到了廣泛關注，氫燃料電池汽車具有續航里程長、加氫時間短，低溫適應性強等優點，在特定領域能夠彌補純電動汽車的痛點，今年四月份工信部發言人也曾在發布會上表示，“從技術特點及發展趨勢看，純電動汽車更適用于城市、短途、乘用車等領域，而氫燃料電池汽車更適用于長途、大型、商用車等領域”。本文基于美國能源部（DOE）、日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）和中國《節能與新能源汽車技術路線圖》的成本目標測算，分析了不同應用場景下車用燃料電池與純電動汽車的成本對比變化趨勢。

全球氣候變化引起了越來越多國家的重視，為了減少碳排放，汽車的碳減排法規提上日程并越來越嚴苛。雖然車企在不斷改進汽車的動力系統，提高能源利用率，同時降低二氧化碳排放量.但是憑借燃油車一己之力，將不能滿足日益嚴苛標準，這也為汽車行業帶來了巨大的挑戰和變革。與電能相比，業內認為氫能源能實現真正意義上的“零排放”，能量轉換效率也比較高，且為可再生能源，來源也比較豐富，因此氫能源將會是未來汽車工業可持續發展的方向之一。目前國外做的最好的豐田MIRAI和現代NEXO燃料電池汽車銷量已分別達到1萬臺和2000余臺;中國2017、2018兩年的燃料電池汽車銷量累計也有2000余輛，在上海、河北、河南、山東、廣東等地進行示范運行。

當前燃料電池汽車與純電動汽車的成本相比十分昂貴，以商用車為例，2017年底國內第一款批量銷售的燃料電池汽車 上汽大通的FCV80燃料電池輕客，其售價高達人民幣130萬元，扣除國家補貼50萬元、地方補貼50萬元后，其價格30萬人民幣也比同款燃油車和純電動版本更貴。自2017年以來，燃料電池汽車銷量每年都達到了千臺級，燃料電池系統的成本有所下降，但2018年燃料電池系統的成本仍然高達8000 - 10000元/千瓦，儲氫系統的成本也高達幾千元每公斤，以一輛燃料電池系統功率30kW、儲氫量5kg的系統為例，僅燃料電池系統和儲氫系統的成本加起來就高達30萬元。這樣的高成本并不會令人望而卻步，燃料電池汽車長續航和零排放的優勢，以及氫能作為清潔能源的優勢，使燃料電池仍然作為一條重要的技術路線，受到歐美、日韓和我國的重視，2030年中國燃料電池汽車的規劃數量達到百萬臺，歐洲和日韓2030 - 2040年燃料電池汽車規模也將達到百萬級，燃料電池汽車的規模化和技術進步互相促進，必然會導致其成本的大幅下降。2015年豐田推出的MIRAI燃料電池汽車，其成本相比于2008年推出的燃料電池汽車，下降了95%，便是一個令人振奮的消息。

美國能源部（DOE）對燃料電池系統的規模化生產成本的預測是，2020年成本達到40美元/kW，2030年成本達到30美元/kW; DOE對動力電池成本目標的預測是2020年成本達到236美元/kWh。

中國2017年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》對車用燃料電池系統提出的成本目標是乘用車燃料電池系統成本2020年1500元/kW，2025年800元/kW，2030年200元/kW;商用車燃料電池系統成本2020年5000元/kW，2025年2000元/kW，2030年600元/kW;儲氫系統成本2020年3000元/kg，2025年2000元/kg，2030年1800元/kg;對動力電池提出的的成本目標是2020年1000元/kWh，2025年900元/kWh，2030年800元/kWh。

日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）近日公布的《2040年日本國內燃料電池目標計劃》指出，燃料電池系統成本目標為2000日元/kW，氫瓶成本目標為10萬日元。

本文基于中國、美國和日本的成本預測數據，根據車用燃料電池系統動力匹配的特點，分析了燃料電池與純電動卡車、客車和乘用車不同車型和應用場景下的成本變化規律。

2 假設條件

燃料電池汽車動力系統的主要構成是燃料電池系統、儲氫系統和動力電池。燃料電池系統通過燃料電池堆、氫氣系統、空氣系統、冷卻系統、控制系統的協同工作產生電能，儲氫系統存儲并提供氫氣，動力電池在車輛啟動、加減速等非穩態下提供或回收能量。車型相似的情況下，燃料電池汽車的續駛里程主要取決于氫系統的儲氫量，純電動汽車的續駛里程主要取決于電池的容量，需要注意的是，鋰電池應用于重型車輛時，鋰電池的自重不可忽略，以一輛續航里程200公里的30噸純電動卡車為例，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1.3噸，如果把續駛里程提高到800-1000公里，電池自重將高達6噸以上;而30噸的燃料電池卡車百公里氫耗預估為20kg左右，使用儲氫密度在5.7%的70MPa儲氫系統，續駛里程為1000公里時燃料電池系統與儲氫系統重量的總和僅2噸左右。

對國內現有燃料電池汽車和純電動汽車的情況進行統計發現，車型和動力性能相近的燃料電池汽車與純電動汽車的電機和內飾、車身等基本相同，因此本文的成本對比分析不計入電機和整車件，僅計入差異項，對于燃料電池汽車，計入燃料電池系統、儲氫系統和動力電池的成本總和，對于純電動汽車，計入動力電池的成本。

3 卡車應用場景分析

本文選擇了4噸、8噸、30噸三種卡車車型，分析了每一種車型不同續駛里程下燃料電池與純電動成本的變化趨勢。具體純電動車型和燃料電池車型的參數信息來自于工信部的汽車公告信息、汽車企業的宣傳信息等。為了簡化成本預測的方法，假設燃料電池系統的成本與功率呈線性關系，儲氫系統成本與儲氫量呈線性關系，動力電池成本與電池容量呈線性關系。為了成本分析的趨勢更具有代表性，選擇了燃料電池發展較好且有明確成本目標規劃的中國、美國和日本的目標成本，形成成本區間進行分析，見圖1。 通過分析數據發現，卡車的續駛里程低于100 - 150公里時，純電動卡車的成本低于燃料電池卡車，而隨著續駛里程的增長，燃料電池的成本優勢逐漸體現，在100 - 150公里續駛里程時燃料電池成本開始低于純電動成本，續駛里程越長，成本優勢越明顯。通過對比不同車重的數據可以發現，卡車的重量越大，燃料電池汽車的優勢越明顯，在續駛里程500公里處的成本優勢以及非常明顯。對于重卡來說，傳統的柴油機重卡的續駛里程在500 - 1000公里之間，在這個續駛里程區間內，燃料電池與純電動相比優勢相當明顯。

4 客車及乘用車應用場景分析

通過對比輕型客車、8米城市客車、12米城市客車的數據發現，在客車領域，規律與卡車相似，續駛里程低于100 - 200公里時，純電動客車的具有成本優勢，隨著續駛里程的增長，燃料電池的成本優勢逐漸增大，根據不同的車型二者成本持平的續駛里程在100 - 200公里，且客車的重量越大，燃料電池的成本優勢越明顯。但對于路線固定的城市客車來說，100 - 200公里的續駛里程大多數情況下已經基本可以滿足運行需求，且有較為固定的夜間時間進行充電，純電動客車的噪聲也比燃料電池客車相對較小，因此在客車領域燃料電池的成本比純電動有優勢，但綜合其他因素而言，優勢不如卡車。

對于乘用車，本文對比了A級車、B級車和C級車燃料電池與動力電池成本的差異，同樣汽車的重量越大，燃料電池的成本優勢越明顯。但乘用車純電動與燃料電池成本持平的續駛里程點在300 -500公里，與商用車（即客車和卡車）相比，燃料電池在乘用車領域的優勢遠沒有商用車明顯。

5 總結

從中、美、日三國對燃料電池商業化成本的長期規劃和測算來看，燃料電池汽車與純電動相比在重載、長續航領域具有較明顯的成本優勢，目前燃料電池的商業化尚處于起步階段，無論是國外還是國內的燃料電池汽車成本都很高，但從長期來看，回顧純電動汽車的發展歷史，也是一個技術不斷進步，不斷規模化、產業化從而帶來成本下降的過程，我們相信技術進步和規模化效應也會推動燃料電池汽車成本的下降，從而使其達到市場可按受的水平，能夠在重載、長續航、商用車領域發揮其成本優勢，與純電動汽車互補共存，推動汽車電動化的進程3。另外，從市場容量的角度來看，一方面卡車的年銷量和市場容量遠大于客車，另一方面在純電動汽車“十城千輛”示范運營的過程中已有相當一部分城市的客車進行了電動化，留給燃料電池客車的市場空間被壓縮，未來燃料電池在中重卡領域的優勢必將逐步顯現，中重卡將會是燃料電池汽車大規模商業化后重要的應用場景。

參考文獻：

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[4]燃料電池行業市場現狀與未來發展趨勢分析[J]電器工業，2019（ 10）：36-41.

作者簡介——

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