氢燃料电池车怎样才能 和电车 竞争？

来源--燃料电池行业研究：降本目标、降本路径、竞争格局http://h2city.cn/cms/a/1196.html

一、降本目标：补贴前全生命周期降本 46%可与电车平价
长途、大功率应用场景下，燃料电池系统优势明显

氢燃料电池车型更适用于路线相对固定、加氢便利等区域性应用场景。相比纯电动车型，氢燃料电池车克服了能源补充时间长、低温环境适应性差的问题，提高了营运效率，与纯 电动车型应用场景形成互补；按照“氢电互补、宜氢则氢、宜电则电”的原则，同时结合各 场景的应用潜力，受制于当前储氢、加氢基础设施及燃料电池发动机水平不足以支持长途、大功率需求场景，氢燃料电池车型更适用于路线相对固定、加氢便利等区域性应用场景，主要有以下应用场景。
氢能在交通领域的应用将逐步向长续航、大载重的场景过渡。根据氢蓝时代常务副总裁曹 桂军在 2021 势银氢能与燃料电池产业年会上发表的《燃料电池系统开发与多场景应用》的主题演讲，预计 2025 年燃料电池系统主要额定功率为 130~180kW，燃料电池系统最大 额定功率将大于 180kW，氢能在交通领域的应用将逐步向长续航、大载重的场景过渡。
经济性决定因素：购置成本、氢耗及氢气价格
燃料电池汽车成本包括车辆购置成本和使用成本，燃料电池汽车的燃料经济性决定了使用 成本，它与两个因素直接相关：百公里氢耗量和氢气价格。
《中国氢能产业发展报告 2020》对车用燃料电池系统提出的成本目标：
1）系统成本：2025/2035/2050年商用车燃料电池系统成本目标为 3500/1000/ 500 元 /KW。以 2020 年为基数，2025/2050 年分别下降 30%/80%；
2）系统功率：2025年燃料电池重卡、客车、物流车的系统功率分别为 150/100/55kW，2050 年分别为 300/200 /100kW；
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3）百公里耗氢：2025 年燃料电池重卡、客车、物流车分别为 8.5 /5.5/2.5 kg/100km；2050 年分别为 6/3.5 /1.5 kg/100km。以 2020 年为基数，氢耗 2025/2050 年分别下降 17～23%/45%～50%；
4）氢气成本：2025 年为 20 元/ kg，2035 年为 10 元/ kg，以 2020 年为基数，氢耗 2025/2035 年分别下降 43%/71%。
2017 年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出的降本要求更高：
1）燃料电池系统：商用车燃料电池系统成本 2020/2025/2030 年分别为 5000/2000/600 元/kW，以 2020 年为基数，2025/2030 年分别下降 60%/88%；乘用车燃料电池系统 成本 2020/2025/2030 年分别为 1500 /800 /200 元/kW，以 2020 年为基数，2025/2030 年分别下降 46%/86.7%；
2）储氢系统成本：2020/2025/2030 年分别为 3000//2000/1800 元/kg，以 2020 年为基数，2025/2030 年分别下降 33%/40%。
以 18 吨重卡车型为例降本空间测算：燃料电池车 VS 柴油车 VS 纯电车 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，分析燃 料电池与纯电动卡车（18t）的成本差异。根据上海捷氢 2021 年 9 月发表的论文《基于 TCO 分析氢气价格对燃料电池重卡经济性的影响》，我们选取载重 18t 的一汽解放 J6L4×2 厢式运输车，车辆使用场景为车队营运重卡，该运输车需要满足日均 500km 以上的长途 运输需求，使用时间为 5 年完成 100 万公里。结论如下：
1) 购置成本：燃油重卡价格约 20 万，补贴前纯电重卡约 71.6 万，补贴后为 67.6 万，补贴前燃料电池重卡约 96.9 万，补贴后为 16.8 万。补贴前氢能车的购置成本分别高过 燃油重卡 80%，高于纯电重卡 35%。
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2) 运营成本：燃油重卡柴油费用为 1.61 元/公里，电动车电费为 0.88 元/公里，补贴前燃料电池重卡能源使用成本为 2.01 元/公里，补贴后燃料电池重卡氢气费用为 1.58 元/公 里，低于柴油重卡的运营成本。补贴后氢能车的燃料成本低于燃油重卡，高于纯电重卡 80%。
3) 全生命周期成本来看，补贴前，燃料电池重卡全生命周期成本高出燃油重卡 36%，高 出纯电重卡 46%。补贴后，燃料电池汽车全生命周期的成本与低于柴油重卡，略高于 纯电重卡 7%。
如果 2025 年和 2030 年氢燃料电池汽车性能及成本的达到《节能与新能源汽车技术路线图》规划目标，则 18 吨重卡全生命周期成本 2025 年为 255.86 万，2030 年为 179.71 万，分 别比 2021 年燃油重卡成本低 22.79%和 45%，比 2021 年纯电动重卡低 5%和 31%。
需要注意的是：类似车型的情况下，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，锂电池应用于重型车辆时，锂电池的自重 不可忽略，根据高工锂电的数据，我们以一辆续航里程 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，电池自重高达 1.3 吨，如 果续驶里程提高到 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 公里氢耗约为 10kg，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。

作者：galaxyjump
来源：知乎
著作权归作者所有

做氢能源的大多数都知道，制氢既不困难也不昂贵，但把氢运输到该去的地方，却是困难重重。目前常用的氢运输方法有高压气态氢运输，液氢运输，深冷态高压运输，每一种方法都很难操作– 要么效率低，要么非常困难，要么既贵又困难。
1 高压气态运输 – 效率极低氢是元素周期表中最轻的元素，密度极低，这意味着少量的氢需要大量的空间。在一个标准大气压（1 atm，或 1.013 bar，或 0.1Mpa）下，一立方米氢气重 0.09KG -- 作为对比，1立方米空气重量为1.29公斤– 所以氢气球才可以在大气中浮起来。在 350 个大气压下，每立方米氢才重23 公斤；在 700 个大气压下（当前使用的最大压力）下，每立方米35KG。也就是说，即使在标准大气压的700倍压力下，氢气的密度也只有水的1/30左右。加压气态氢通常由长管卡车运输。为了安全起见，大多数国家限制通过普通高速道路运输的高压容器的最大压力– 国内目前最大管压限制在 20Mpa（200个大企业）。在此压力下，氢的密度为每立方米 14 公斤。

常用的氢长管拖车
低密度意味着公路运输的效率极低——通常，如上图所示，一辆35 吨的半挂卡车只能运载 250-300 KG 的氢气，装载量仅为总吨位的1%车辆重量（GVW）。相比之下，这样一辆重卡，如果运输普通货物的话，起码可以轻松运载20 吨货物。拿可以运20吨货物的车只拉300公斤货物，可想而知这个运输效率有多低、成本有多高。另外，国内700个大气压的高压四类瓶（复合材料内胆、复合材料缠绕外壳）还在开发、生产早期，所用的阀门等关键件仍然依靠进口，使得氢瓶成本居高不下，目前单个700大气压氢瓶价格在5万以上，且价格下降空间有限。如果一辆燃料电池重卡需要8个氢瓶储氢，仅储氢瓶成本就在40万元以上。

2. 液氢运输
通过将氢气冷却到极低的温度（液氢为-252.8°C），密度会更高一些 – 70.85公斤/立方米，是气态氢密度的800倍。这么一来，一辆卡车可以运输4000公斤液氢，效率总算高了不少；而且，液氢在常压下就可以保存，而无需高压设备 – 压力设备属于特种设备，要专门的管理证、操作证的，十分麻烦。问题还是出在氢本身– 氢分子太轻太小太活跃，其液化温度太低，只有-253℃，这使得氢的液化极为耗费能量 – 大概要11度电才能液化1公斤氢，而1公斤氢的能量不过33度电，也就是1/3的能量拿来液化氢，这个实在是有点挥霍能量。另外，液氢储存必须要高等级的隔热瓶（想象一个非常高级的保温瓶），以减少挥发（boil off）。即使如此，也挡不住液氢会不断减少 –而挥发出来的氢必须妥善处理，避免发生爆燃。液氢处理是如此的困难，美国NASA的Artemis火箭可以出面作证 – 该火箭从3月份就被各种液氢泄漏所困扰，最近一次发射不成功（8/29），火箭又被拉回去修理了。对于国内而言，还有一个严重问题：目前液氢技术比较成熟的是美国，其产量产能都处于绝对优势。由于液氢在航天工业上的重要用途，美国对中国在液氢技术（包括罐体、阀门、深冷技术等）都严防死守，严格禁止相关技术对华出口，甚至连技术交流都很难。

2020年液氢主要产能分布在这种情况下，短期内液氢在国内车用市场发展难度很大。虽然航天工业也在努力扩展液氢在车用范围，仍然需要相当长时间。

**3. 深冷低温压缩氢 (Cryo-compressed hydrogen)
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在高压下冷却氢气（通常 <300 大气压，低于气态储存）并将氢气保持在临界点（大约-240°C），从而实现最高密度(约为73公斤)、更长的休眠寿命和更少的蒸发损失，需要的温度相对于常压液氢也略微高一些（-240°C对-253°C）问题是深冷压缩虽然具有最高的能量密度，却也继承了压力存储，和低温存储与生俱来的问题– 既需要压力容器，也需要深冷技术。在上述常规技术遇到巨大困难的情况下，有人就会问，既然氢单质的储运如此困难，可不可以把氢通过其他媒质，用更便利的方法来运输？还真有。研究比较多的主要是两种，金属储氢材料和有机液体储氢材料。这两种方法，都是通过物理、化学结合的方式，使用中间媒介，以可逆的方式吸收、放出氢，来规避氢单质储运的难题。4. 金属储氢材料有些金属材料，如稀土类、铁钛、镁合金等，可以在常温下与单个氢原子形成某种化合物，并放出热量；在被加热的时候，这种氢化物又可以分解，重新释放出氢原子出来。这种可逆反应，有潜力成为储氢系统。

若干储氢合金的储氢能力表
一般来说，目前储氢合金可以储存相当于自身重量2-5%左右的氢，远景希望能达到5-7%之间，也就是说，每100公斤储氢合金可以储存5公斤以上的氢，相当于一个220升（35MPa，350大气压）或者一个140升（70MPa，700大气压）储氢罐。

国产金属储氢材料制成的储氢系统
国内如厦门钨业、北京浩运金能等都是储氢合金主要生产集团，从年报来看，厦门钨业2021年储氢合金销量为3885吨；浩运金能自报在千吨左右。金属储氢的主要问题还是仍处于发展早期，技术不成熟，资源量比较小 – 特别是使用稀土的某些储氢金属，难以大规模应用。另外，储氢金属泄氢需要加热，在车载环境下颇为不便；而在反复充放的过程中，因为氢原子反复结合、脱出，会导致金属晶体结构坍塌、粉末化，影响其使用寿命。

5. 液态有机储氢材料（Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC）
除了金属储氢材料之外，另外一个正在被关注的是有机材料储氢– 环状（苯）、长链分子结构高分子有机材料（常常是液体），可以在催化剂的作用下，可以吸收、释放氢原子，这是一个可逆过程。同时，这些高分子有机材料在吸氢之后仍然保持液态，且无需加压，便于运输、储存，可以作为介质反复充放氢。目前储存密度可达50-60公斤氢/立方米对于车用系统而言，理论上可以直接携带这些有机储氢材料，在车上使用催化剂、并加热至300°C泄氢，之后到加氢站卸下已释放完氢气的液态储氢材料、加注全新液体，然后即可继续行驶。但在车载环境完成300°C加热、催化是个较为复杂的过程，需要的热源难以取得，目前尚未有实际应用报道。目前这个技术还是处于早期，国内主要是武汉的氢阳科技，海外也有不少相关企业。下图为氢阳科技有机储氢的示范项目。

北京市房山区有机储氢示范装置 -- 城市垃圾制氢、有机液体储氢技术、新型加氢站、氢燃料电池大巴

6. 常用高氢含量气、液体（氨、甲醇等）
除了上述高分子有机材料之外，还有其他低分子有机物质，如氨、甲醇等，这些气体、液体同样富含氢元素，且产业成熟、运输方便，可替代难运、危险的氢。以氨为例，其分子式为NH3，一个氮原子对三个氢原子。氨的能量密度很高，按体积计算为12.7MJ/升，比液氢都要高（8.5MJ/升）。氨的储存、运输，尽管也不太方便，但作为常用的化学产品和肥料，其-33 °C的液化温度比起氢的-253 °C可是要容易处理多。目前全球氨主要用作肥料及肥料原材料，每年的产量约在1.7-1.8亿吨左右。与氢类似，氨的生产根据其原料氢的碳足迹，也可以分为灰氨、蓝氨和绿氨：灰氨就是传统制氨工艺，需要使用天然气重整技术来产生氢，进而与空气中的氮经过复杂的化学反应产生氨；蓝氨是把灰氨排放的碳加以捕捉。但目前这一技术尚有争议– 如同前段时间康奈尔大学一份研究指出来的，蓝氢的碳足迹甚至高于灰氢。绿氨使用的氢，是使用可再生能源如光电、风电电解水来制备，其本地碳足迹为零，目前已有多个中小规模的项目在投建。
沙特在2020年6月开始投建了一个年产达120万吨绿氨的大型项目，该项目投资高达50亿美元，依赖于一个高达4GW的光伏发电项目。该项目预计于2025年投产。该项目由Air Products负责。

沙特120万吨绿电制氢->绿氨项目
甲醇Methanol，也是一种被考虑的代氢燃料，其分子式是CH3OH，一看就知道氢含量不低。
关于甲醇，必须要表扬一下吉利汽车的李书福李总 – 这么多年来如一日，坚定地支持甲醇汽车的开发、生产与研究。

吉利汽车展出的甲醇汽车
与氨的生产类似， 传统甲醇生产工艺需要使用煤炭或其他化石燃料作为输入，存在着巨大的碳足迹。另一方面，美国从2008年开始大力推广玉米制甲醇燃料，但美国农业是典型的高碳排放农业—大量使用农用机械，使得玉米甲醇的碳足迹比传统的汽油还要高 – 根据University of Wisconsin在2022年2月份发表一项研究，所谓的生物燃料，其全周期碳排放量比传统汽油车还要高24%第三就是绿色低碳甲醇制备。类似于绿氨，绿色低碳甲醇制备需要使用绿电，加上二氧化碳捕捉或其他方式提供的碳源化合而成。其净碳排放量的理论为零。与氨类似，甲醇由于其生理毒性，其使用受到一定限制。目前而言，国家对甲醇的推广尚未表示出明显兴趣。7. 合成燃料(e-Fuel)合成燃料e-Fuel是欧洲若干大企业，包括西门子等都在大力发展的能源形式。其原理类似于绿氨、绿色甲醇，都是通过可再生能源，加CO2捕捉（或其他现有碳排放而来的碳源），通过Fischer-Tropsch反应，来生成长链碳氢化合物，如C10H20等。这种烃经过常规炼化，可以成为常规汽油供汽车直接使用。这样理论上，其整体的净碳足迹(Well-to-wheel)为零。

欧洲若干公司，由Siemens Energy带头，目前在智利建设的绿色eFuel工厂，预计2022年开始13万升合成燃料；2024年达到年产5500万升；最终在2025年达到5.5亿升设计产能。eFuel的鼓吹者认为，目前的很多应用，如航空、海运、重型卡车、矿山机械等难以电动化，为此，需要使用绿色能源，通过碳捕捉等方法，从已有碳源中获取碳，与电解水获得的绿氢化合，生成长链烃燃料。关于eFuel的讨论很多，我们会在以后进一步研究。其鼓吹者的论据并非没有道理，值得深入研究。

8. 总结在零碳低碳时代，氢是不可或缺的一个组成部分。
但氢的优点和缺点同样突出，因此需要利用氢之所长，避其所短。为此，人们想出各种方法，从最常规的高压气态，到复杂的合成燃料，五花八门，不一而足。就目前而言，氢能源这个行业仍处于发展早期，各种试错都在被尝试，未来哪一种方式胜出，现在还难以判断。更大的可能，是未来不会再像过去一样，单一的化石能源（石油）包打天下，满足所有的需求 -- 在零碳低碳时代，更可能的是各种方法百花齐放，在各自的生态位上占据一定的角色。