不同应用场景下燃料电池与纯电动汽车成本对比分析

摘要：本文基于中、美、日三个国家对燃料电池和纯电动汽车商业化成本的测算数据，根据车用燃料电池系统动力匹配的特点，分析了不同应用场景下燃料电池与纯电动汽车的成本变化规律。总体上，燃料电池汽车在中重卡领域具有明显优势。

关键词：燃料电池汽车;应用场景;成本分析

1 引言

自今年三月份氢能首次写入政府工作报告以来，燃料电池汽车再次受到了广泛关注，氢燃料电池汽车具有续航里程长、加氢时间短，低温适应性强等优点，在特定领域能够弥补纯电动汽车的痛点，今年四月份工信部发言人也曾在发布会上表示，“从技术特点及发展趋势看，纯电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等领域，而氢燃料电池汽车更适用于长途、大型、商用车等领域”。本文基于美国能源部（DOE）、日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）和中国《节能与新能源汽车技术路线图》的成本目标测算，分析了不同应用场景下车用燃料电池与纯电动汽车的成本对比变化趋势。

全球气候变化引起了越来越多国家的重视，为了减少碳排放，汽车的碳减排法规提上日程并越来越严苛。虽然车企在不断改进汽车的动力系统，提高能源利用率，同时降低二氧化碳排放量.但是凭借燃油车一己之力，将不能满足日益严苛标准，这也为汽车行业带来了巨大的挑战和变革。与电能相比，业内认为氢能源能实现真正意义上的“零排放”，能量转换效率也比较高，且为可再生能源，来源也比较丰富，因此氢能源将会是未来汽车工业可持续发展的方向之一。目前国外做的最好的丰田MIRAI和现代NEXO燃料电池汽车销量已分别达到1万台和2000余台;中国2017、2018两年的燃料电池汽车销量累计也有2000余辆，在上海、河北、河南、山东、广东等地进行示范运行。

当前燃料电池汽车与纯电动汽车的成本相比十分昂贵，以商用车为例，2017年底国内第一款批量销售的燃料电池汽车 上汽大通的FCV80燃料电池轻客，其售价高达人民币130万元，扣除国家补贴50万元、地方补贴50万元后，其价格30万人民币也比同款燃油车和纯电动版本更贵。自2017年以来，燃料电池汽车销量每年都达到了千台级，燃料电池系统的成本有所下降，但2018年燃料电池系统的成本仍然高达8000 - 10000元/千瓦，储氢系统的成本也高达几千元每公斤，以一辆燃料电池系统功率30kW、储氢量5kg的系统为例，仅燃料电池系统和储氢系统的成本加起来就高达30万元。这样的高成本并不会令人望而却步，燃料电池汽车长续航和零排放的优势，以及氢能作为清洁能源的优势，使燃料电池仍然作为一条重要的技术路线，受到欧美、日韩和我国的重视，2030年中国燃料电池汽车的规划数量达到百万台，欧洲和日韩2030 - 2040年燃料电池汽车规模也将达到百万级，燃料电池汽车的规模化和技术进步互相促进，必然会导致其成本的大幅下降。2015年丰田推出的MIRAI燃料电池汽车，其成本相比于2008年推出的燃料电池汽车，下降了95%，便是一个令人振奋的消息。

美国能源部（DOE）对燃料电池系统的规模化生产成本的预测是，2020年成本达到40美元/kW，2030年成本达到30美元/kW; DOE对动力电池成本目标的预测是2020年成本达到236美元/kWh。

中国2017年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》对车用燃料电池系统提出的成本目标是乘用车燃料电池系统成本2020年1500元/kW，2025年800元/kW，2030年200元/kW;商用车燃料电池系统成本2020年5000元/kW，2025年2000元/kW，2030年600元/kW;储氢系统成本2020年3000元/kg，2025年2000元/kg，2030年1800元/kg;对动力电池提出的的成本目标是2020年1000元/kWh，2025年900元/kWh，2030年800元/kWh。

日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）近日公布的《2040年日本国内燃料电池目标计划》指出，燃料电池系统成本目标为2000日元/kW，氢瓶成本目标为10万日元。

本文基于中国、美国和日本的成本预测数据，根据车用燃料电池系统动力匹配的特点，分析了燃料电池与纯电动卡车、客车和乘用车不同车型和应用场景下的成本变化规律。

2 假设条件

燃料电池汽车动力系统的主要构成是燃料电池系统、储氢系统和动力电池。燃料电池系统通过燃料电池堆、氢气系统、空气系统、冷却系统、控制系统的协同工作产生电能，储氢系统存储并提供氢气，动力电池在车辆启动、加减速等非穩态下提供或回收能量。车型相似的情况下，燃料电池汽车的续驶里程主要取决于氢系统的储氢量，纯电动汽车的续驶里程主要取决于电池的容量，需要注意的是，锂电池应用于重型车辆时，锂电池的自重不可忽略，以一辆续航里程200公里的30吨纯电动卡车为例，锂离子电池容量约为400kWh，使用300Wh/kg的锂离子电池，其电池自重就高达1.3吨，如果把续驶里程提高到800-1000公里，电池自重将高达6吨以上;而30吨的燃料电池卡车百公里氢耗预估为20kg左右，使用储氢密度在5.7%的70MPa储氢系统，续驶里程为1000公里时燃料电池系统与储氢系统重量的总和仅2吨左右。

对国内现有燃料电池汽车和纯电动汽车的情况进行统计发现，车型和动力性能相近的燃料电池汽车与纯电动汽车的电机和内饰、车身等基本相同，因此本文的成本对比分析不计入电机和整车件，仅计入差异项，对于燃料电池汽车，计入燃料电池系统、储氢系统和动力电池的成本总和，对于纯电动汽车，计入动力电池的成本。

3 卡车应用场景分析

本文选择了4吨、8吨、30吨三种卡车车型，分析了每一种车型不同续驶里程下燃料电池与纯电动成本的变化趋势。具体纯电动车型和燃料电池车型的参数信息来自于工信部的汽车公告信息、汽车企业的宣传信息等。为了简化成本预测的方法，假设燃料电池系统的成本与功率呈线性关系，储氢系统成本与储氢量呈线性关系，动力电池成本与电池容量呈线性关系。为了成本分析的趋势更具有代表性，选择了燃料电池发展较好且有明确成本目标规划的中国、美国和日本的目标成本，形成成本区间进行分析，见图1。 通过分析数据发现，卡车的续驶里程低于100 - 150公里时，纯电动卡车的成本低于燃料电池卡车，而随着续驶里程的增长，燃料电池的成本优势逐渐体现，在100 - 150公里续驶里程时燃料电池成本开始低于纯电动成本，续驶里程越长，成本优势越明显。通过对比不同车重的数据可以发现，卡车的重量越大，燃料电池汽车的优势越明显，在续驶里程500公里处的成本优势以及非常明显。对于重卡来说，传统的柴油机重卡的续驶里程在500 - 1000公里之间，在这个续驶里程区间内，燃料电池与纯电动相比优势相当明显。

4 客车及乘用车应用场景分析

通过对比轻型客车、8米城市客车、12米城市客车的数据发现，在客车领域，规律与卡车相似，续驶里程低于100 - 200公里时，纯电动客车的具有成本优势，随着续驶里程的增长，燃料电池的成本优势逐渐增大，根据不同的车型二者成本持平的续驶里程在100 - 200公里，且客车的重量越大，燃料电池的成本优势越明显。但对于路线固定的城市客车来说，100 - 200公里的续驶里程大多数情况下已经基本可以满足运行需求，且有较为固定的夜间时间进行充电，纯电动客车的噪声也比燃料电池客车相对较小，因此在客车领域燃料电池的成本比纯电动有优势，但综合其他因素而言，优势不如卡车。

对于乘用车，本文对比了A级车、B级车和C级车燃料电池与动力电池成本的差异，同样汽车的重量越大，燃料电池的成本优势越明显。但乘用车纯电动与燃料电池成本持平的续驶里程点在300 -500公里，与商用车（即客车和卡车）相比，燃料电池在乘用车领域的优势远没有商用车明显。

5 总结

从中、美、日三国对燃料电池商业化成本的长期规划和测算来看，燃料电池汽车与纯电动相比在重载、长续航领域具有较明显的成本优势，目前燃料电池的商业化尚处于起步阶段，无论是国外还是国内的燃料电池汽车成本都很高，但从长期来看，回顾纯电动汽车的发展历史，也是一个技术不断进步，不断规模化、产业化从而带来成本下降的过程，我们相信技术进步和规模化效应也会推动燃料电池汽车成本的下降，从而使其达到市场可按受的水平，能够在重载、长续航、商用车领域发挥其成本优势，与纯电动汽车互补共存，推动汽车电动化的进程3。另外，从市场容量的角度来看，一方面卡车的年销量和市场容量远大于客车，另一方面在纯电动汽车“十城千辆”示范运营的过程中已有相当一部分城市的客车进行了电动化，留给燃料电池客车的市场空间被压缩，未來燃料电池在中重卡领域的优势必将逐步显现，中重卡将会是燃料电池汽车大规模商业化后重要的应用场景。

参考文献：

[1]中国汽车工程学会，等.节能与新能源汽车技术路线图[M]北京：机械工业出版社，2017.

[2]郭继春.领跑“氢时代”上汽MAXUS FCV80 应运而生[J]商用汽车新闻，2019（ 39）：9

[3]曾晓彤新能源汽车技术路线与专业建设规划[J]智能城市，2019，5（ 20）：147-148

[4]燃料电池行业市场现状与未来发展趋势分析[J]电器工业，2019（ 10）：36-41.

作者简介——

高婧：（1992.05.13-），女，汉族，内蒙古乌兰察布人。单位：上海捷氢科技有限公司。职称：助理工程师。学历：研究生。研究方向：燃料电池。