燃料与电动汽车性能分析比较

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1、燃料电池汽车与纯电动汽车性能综合对比纵观人类历史，文明的进步本质上就是能量输出强度的进步。早期的农业文明，动力以人畜、 木柴等生物能为主，输出功率非常有限，还受到土地承载能力的限制，经济只能在低水平不 断循环；18 世纪工业革命后，随着蒸汽机和内燃机的推广，基础能源变为以煤炭、石油为 代表的化石能源，能量密度提升了上百倍，GDP也终于突破了“马尔萨斯陷阱”的束缚，呈 现了指数型的增长。目前全球能源结构为原油33%，天然气24%、煤炭30%，核电4%、水电 7%和新能源2%，化石能源居于绝对主导地位。但展望未来，人类能源结构还会产生重大变 革，如现在锂电池车的发展就已经如火如荼，因此经济意义上的

2、石油枯竭恐怕还会来的更早。 未来谁能全面替代石油，成为新一代的车用燃料就成为非常关键的问题。目前替代石油车的主流技术路线就是锂电池和燃料电池。燃料电池最大优势就是能量密 度高，是锂电池的120倍。但锂电池起步早，商业化程度更高，整车成本也更低，且充电可 以利用现有的电网系统，相比燃料电池整个加氢和供氢的配套网络都要从头建设，成本也要 更低。因此这两者的竞争核心就是能量密度和成本的竞争。下面从原理及结构、性能、成本 等方面对燃料电池汽车和纯电动汽车进行对比分析。1. 原理及结构比较燃料电池汽车中的燃料电池是一种电能生产装置，它通过电催化反应将燃料中的化学能 转换成电能释放出来，其化学反应原理如下

3、：正极：H =2H+ + 2e-2负极： O + 2H+ + 2e- = HO22总反应：H + % O = HO2 2 2 纯电动汽车中的锂电池是一种能量存储装置，属于二次电池，通过可逆的电化学反应实 现电能的存储和释放，其化学反应原理如下：正极：LiCoO =Li(lx)CoO +xLi+xe-22负极：6C+xLi+xe- = LixC6总反应：LiCoO +6C = Li(1x)CoO +LixC2 2 6El巳匚trie CurrentUnused Aiirr Water, and Heat由于燃料电池不能储存电能，结构上要比锂电池复杂。燃料电池系统结构图锂电池系统结构图2. 性能比

4、较机动车性能主要为续航能力、充电/充氢时间、输出功率和安全性等。燃料电池能量密度远 高于锂电池，相应电池容量，快充能力和续航里程就具备了天然的优势，即使是和锂电池的 顶级豪车 Tesla 相比也是大幅领先。但其功率密度不高，最大输出功率取决于辅助的动力电 池系统，相应最高时速和百公里加速指标和锂电池相差不大（实际工况下还是要好很多）。为了便于比较，我们下文选取目前主流的2L排气量汽油车，对应45度锂电池车和输出功率 100KW 燃料电池车作为分析基准。2.1 能量密度比较 锂电池作为蓄电池的一种，是个封闭体系，电池只是能量的载体，必须提前充电才能运行，其能量密度取决于电极材料的能量密度。由于目

5、前负极材料的能量密度远大于正极， 所以提高能量密度就要不断升级正极材料，如从铅酸、到镍系、再到锂电池。但锂已经是原 子量最小的金属元素，比锂离子更好的正极材料理论上就只有纯锂电极，但能量密度其实也 只有汽油的 1/4，而且商业化的技术难度极大。因此锂电池能量密度提升受制于理论瓶颈， 空间非常有限，最多也就是从目前的160Wh/KG提高至300Wh/KG，即使达到也只有燃料电池 的 1/120。2.2 体积能量密度比较 燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高，现在基本上是采用加压来解决这个问题。按照现行的700个大气压的加压模式，其体积能量密度是汽油1/3。同样跑300公 里，燃料电池储

6、氢罐体积为100L，重量为30 KG，对应汽油车油箱为30L，但电动机体积比 内燃机小80L，总体积相差不大。锂电池车分为三元和磷酸铁锂两种主流技术路线，代表企 业为 Tesla 和比亚迪。三元能量密度更高，但安全性差，需要辅助的安全保护设备，跑300 公里所需的两种电池体积分别为140L和220L,重量为0.4吨和0.6吨，都远高于燃料电池。 未来如果储氢合金和低温液态储氢技术能够突破，燃料电池体积能量密度将分别增加 1.5 倍和 2 倍，优势会更为明显。2.3 功率密度比较燃料电池本质上可以理解为以氢气为原料的化学发电系统，因此输出功率比较稳定，为 了最大提高放电功率必须附加动力电池系统，

7、如丰田 Mirai 就是配套镍氢电池。但作为一个 开放的动力系统，其能量来自于外部输入，附加的镍氢电池不需要考虑储能的问题，只要 5-8 度就能满足需求，对电池寿命的要求也不高，在真实工况下的使用限制很少。锂电池虽 然理论放电效率很高，但为了不伤害电池寿命，使用限制很多。在充满电的情况下不能大倍 率放电，快速放电只适用0-80%这个区间。即使如此，以5C倍率放电，实验室中的电池循 环寿命也会缩短到只有600次，真实工况下会进一步降至400次，如Telsa即使最大功率可 达310KW,但实际放电倍率也只有4C。而且锂电池作为能量密度不高的封闭储能体系，高功 率放电和高续航里程基本很难兼容，除非大

8、幅提升电池重量。即使Tesla采用了目前能量密 度最好的三元电池，其电池组件重量都接近半吨。表 1 燃料电池汽车与纯电动汽车性能比较性能参数燃料电池汽车纯电动汽车丰田Tesla Model STesla Model S常规锂电池Mirai60kWh85kWh腾势(45度)续航里程(km)500370480335电池容量 (kWh)180608547.5最大输出功率(kW)11427031086充电/加氢时间3min快充 30min快充 30min快充 1h最高时速(km/h)178193201150百公里加速(s)95.94.414由于燃料电池汽车其能源能源能量密度的优势，相对于纯电动汽车，燃

9、料电池汽车可实 现更长续驶里程。且长距离驾驶工况，燃料电池汽车在整车重量、能耗、累计成本等方面优 于电动汽车。燃料电池汽车与纯电动汽车各项性能指标对比2.4 安全性比较 除了上述指标，安全性对于机动车来说无疑也非常关键。锂电池作为封闭的能量体系， 从原理上高能量密度和安全性就很难兼容，否则就等同于炸弹。因此现在主流工艺路线中， 能量密度低的磷酸铁锂安全性却较好，电池温度达到500-600 度时才开始分解，基本不需要 太多的保护辅助设备。Telsa采用的三元电池能量密度虽高，但不耐高温，250-350度就会 分解，安全性差。其解决方法是并联了超过7000节电池，大幅降低了单个电池漏液，爆炸 带来

10、的危险，即使如此也还需要结合一套复杂的电池保护设备（该重量增加也变相削弱了其 能量密度的优势）。并且之前发生的几次事故，虽然得益于Telsa的安全设计并没有出现人 员伤亡，但就事故本身而言，其实都是非常轻微的碰撞，车身也没有收到什么伤害，但电池 却着火了，也侧面反映了其安全性上天然的劣势。 燃料电池由于原料氢气易燃易爆，市场普遍担心其安全性问题。但相比汽油蒸汽和天然气这 两种常见的车用可燃气体，氢气的安全性并不差，甚至还略好（如表2所示）。现在车用储 氢装置都采用碳纤维材料，在80KM/h速度多角度碰撞测试中都可以做到毫发无损。即使车 祸导致泄露，由于氢气爆炸要求浓度高，在爆炸前一般就已经开始

11、燃烧，反而很难爆炸。而 且氢气重量轻，溢出系统的氢气着火后会迅速向上升起，反而一定程度上保护了车身和乘客。 而汽油为液态，锂电池为固态，很难在大气中上升，燃烧都在车舱底部，整车会迅速着火报 废。氢气储运环节其实和LNG非常类似，只是所需压力更大，随着商业化推进，其整体安全 性也还是可控的。表 2 氢气、汽油、天然气安全性对比项目氢气汽油蒸气天然气燃烧极限4-74%1.4-7.6%5.4-15%爆炸极限18.3-59%1.1-3.3%5.7-14%点火能量0.020.20.29火焰温度（C）204521791875最容易点燃体积比29%2%9%3. 成本比较汽车的成本主要分为整车成本、原料成本、

12、配套成本。目前对燃料电池汽车诟病最多就 是电池成本太高，但用发展的眼光看，随着技术进步和商业化程度提高，其成本下降的空间 很大。而锂电池如果考虑到电网端扩容的成本，其实综合配套成本还高于燃料电池，具体测 算如下：3.1 整车成本比较 锂电池、燃料电池和传统汽油车，整车成本的差异主要体现在发动机成本，其他组件差 异不大。2L汽油车发动机成本在3万元左右，未来也很难有太大的变化。现有锂电池的度 电成本为1200元/kWh，未来有望降至1000元/kWh, 45度电动车，电池成本为4.5万元。 燃料电池成本主要是电池组和高压储氢罐，现在100kw电池组成本为10万元，预测年产50 万台后，单位成本将

13、降至30美元/KW，即2万元。现有储氢罐成本为6万元，未来有望降至 3.5万元，总成本为5.5万元。长期看三种动力体系的成本相差不大，可见整车成本并不是 核心问题。3.2 原料成本比较2L汽油车百公里耗油为10升，5.8元/L的汽油售价，成本为58元（其中税负成本接 近30%）。锂电池车百公里耗电量为17度，0.65元/度电成本，成本11元。燃料电池百公 里消耗氢气9 方，制氢方式主要分为电解水或者化学反应，如煤制氢、天然气制氢等。电解 水成本主要是电，平均5度电1方氢气，成本约为3. 8元/方，但可以在加氢站直接电解， 省掉运输费用。如果采用化石能源大规模集中生产，国内成本最低的是煤制氢气，

14、约为1.4 元/方，北美则可利用廉价的天然气，成本在0.9元/方。如果我们以煤制气成本作为标准， 百公里原料成本12.6元，和锂电池差别不大。3.3 配套成本比较加氢站、加油站、充电站成本主要分为土地成本、设备成本、建设成本，差别主要体现 在设备成本。加油站基本在300万元，充电站为430万元（下文都是假设每个充电站由10 个充电桩组成），加氢站以日本目前的标准预计为1500万元，整体上加氢站成本要高1000 万元左右。按照15年折旧，每年销气量1000万方（按每天工作10小时，每小时10辆车， 每辆车加27升氢气，对应续航300公里计算），则折旧成本为0.1元/方。小规模时氢气一 般以槽罐车

15、运输，预计运费为 0.44 元/方，规模扩大后则可采用管网运输，成本会下降至 0.23 元/方。虽然锂电池现阶段依托于现成的电网系统，配套成本很低。但如果大规模推广，现有电网的容量冗余基本都将被耗尽，未来必须要大规模扩容。因此充电站本质上是将配套成本外部化 给了电网，因此计算其全产业链成本时还要添加电网端的成本。一般商业化运营的充电站至 少都要达到1 小时快充的标准，对应10个充电桩组成的充电站的功率都要达到600千瓦， 相当于上百户家庭的用电负荷，对电网负荷的冲击极大。对应电网需要新增投资120 万元来 扩容负荷，但每年新增售电量只有93万度（按每天为50 辆车充电，每辆车充51度，相当 于

16、 300 公里续航计算），按照 0.65 元/度购电成本，电网端 15 年收回投资测算，则售价要 在成本基础上增加0.18 元/度。3.4销售端成本测算 加油站的销售网络已经非常成熟，其每小时的利润水平可以作为加注站合理回报的测算基 准。对应加氢站每方价差为0.51 元，锂电池每度电则为4.9 元。该电价情况下，锂电池车 基本无法推广。目前国家规定充电站服务费上限为0.4 元/度，但其背景是给予了大量补贴。 但没有任何产业可以长期依靠补贴来发展，未来如果锂电池的充电效率不显著提升，在加注 站这个环节，企业的盈利水平会大幅低于加油站和加氢站。没有合理回报，在目前寸土寸金 的大城市，投资者根本没有

17、任何激励去推广充电站，产业自然也无法发展。但锂电池低能量 密度过低，如果强行实现高充电效率，电池循环寿命面对的工程挑战就会非常巨大。而且即 使能实现3 分钟快充，但对应单个充电桩的功率要高达1200 千瓦，每个充电站都要配套一 个 110 千伏变电站。其投资高达 5000 万元，占地 5000 平米，且周围 300 米还不能有居民楼， 对于现在沿海大城市在操作层面上挑战也很大。3.5 总计成本 综合上述所有成本，汽油车、锂电池车、现阶段和充分商业化后燃料电池车的百公里 成本为58、83、23和 20 元。由于销售价差占锂电池成本比重很高，我们考虑到充电桩设备 投资是加氢站的1/3，将其小时利润

18、降至1.4 元，综合成本也还有37元，燃料电池车长期 成本优势仍然非常明显。其实这所有的根源还在于燃料电池能量密度最高，同等商业化情况 下，成本自然具备优势。E V和F C V的系统威本比较规就距离讥礙.：I塘加的逆就破圈前胡 禺斛啲妙才 、 较少 一中F；葩禺讨FUF有优勢八燃料电池汽车与纯电动汽车成本比较y/优势Z2P4. 其他比较新能源车发展的一个重要逻辑就是节能环保，这对我国无疑更为重要。目前我国不但空 气污染严重，而且石油进口依存度高达60%，其中85%还要经过美国控制的马六甲海峡，能 源安全已成为我们国家安全的最大软肋。因此国家给予新能源车巨额补贴，一个重要原因就 是为了缓解对石油

19、的进口依存度。那么下文我们就从节能、环保和资源约束等方面对两者进 行比较，具体如下：4.1节能环保比较 燃料电池原料氢气在我国目前最经济的手段是煤制氢，锂电池的原料电力，在我国也主要来 自于煤炭发电。因此这两者本质上能量都来自于煤炭，碳排放只不过是转移给了上游，因此 是否节能，主要就是看能量转换效率。目前锂电池车每百公里耗电17度，对应6.8公斤煤 炭；燃料电池每百公里耗氢9方，储运环节损耗20%，对应煤炭为7.3公斤；汽油车每百公 里耗油10L,碳排放相当于10公斤煤炭。其实新能源车的节能效果都不明显，其核心价值 还是在于将一次能源消耗从石油转化为我国储量丰富的煤炭，缓解了能源安全问题。而从

20、环 保看，燃料电池几乎没有尾气排放，锂电池也只有少量排放（但电池报废后的污染问题比较 严重），全产业的污染主要集中在上游。但比起处理分散的汽油车尾气排放，上游的集中治 污无疑难度要小很多。综合而言，燃料电池全产业链的污染最低，基本可以认为是最佳的绿 色车用能源。4.2资源约束比较 燃料电池的催化剂要用到贵金属铂，市场普遍担心其资源约束。2015年铂全球总需求为270 吨，主要下游为汽车尾气清洁催化剂、首饰、工业，占比为44%、34%、22%。Mirai单车铂 消耗量约为20g，比汽油车消耗要高10-15g。假设燃料电池车占全球5%的年产量，年均消 费增量为56吨左右，看似冲击很大。但是同样假设

21、下，锂资源的年均消费增量为8万吨， 对应每年4万吨的产量其实冲击更大，这已经从今年的锂矿石价格暴涨得到侧面证明。而且 丰田中期优化目标为铂单耗降低75%，并实现催化剂的铂回收。上述任何一个目标实现，铂 资源约束基本就得到解决。4.3商业化程度比较 从商业化程度上看，燃料电池和锂电池车大体差了5年，现在还处于商业化的前夕，预 计爆发点在2020年左右。目前全球技术领先的国家为日本和美国，尤其是日本在乘用车领 域几乎是一枝独秀，2015年量产的Mirai基本达到了商业化的入门标准。相比之下，我国 在燃料电池产业化领域就建树寥寥，只有北汽福田和上汽为08年奥运会和10年世博会生产 过燃料电池大客车，还停留在技术示范阶段。但我国的优势是经济体量大，随着燃料电池技术的成熟，具备快速追赶的能力。近几十年虽然各国都在大力推广纯电动汽车，但其占比依然很低，核心就在于过往的电动车 在能量密度上提升的空间太小。燃料电池的出现改变了这一现状，其以氢气为原料，基础能 量密度是汽油的3 倍，电动机的做功效率还是内燃机的2 倍，实际密度是汽油的6 倍，优势 明显。而且从人类过去百年的能源进化史看，其本质上就是碳氢比的调整史，氢含量越高 能量密度越高，未来从碳能源转向氢能源是大势所趋，因此采用氢能源的燃料电池无疑更能 代表历史发展的方向，最有望成为下一代的基础能源。