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课题承担单位：北京航空航天大学

一、研究背景

       我国氢燃料电池汽车的保有量和生产能力已跃居世界先进行列。截至2020年底的统计数据表明：全球氢燃料电池汽车保有量已突破3万辆，我国为7352辆，位据全球第三；全球投入运营的加氢站553座，中国的加氢站达到了118座，数量位于全球第二。因此，开展燃料电池汽车生命周期能耗和碳排放的相关研究

，定量分析快速发展的燃料电池汽车相关产业对汽车产业温室气体排放的影响，对汽车产业碳达峰和碳中和目标的制定
、以及燃料电池汽车相关产业政策
、标准的制定具有重要意义。

二、研究目标

①.   建立基于我国实际能耗及碳排放数据的燃料电池汽车生命周期能耗及碳排放评价模型，科学评价燃料电池汽车生命周期各阶段的能耗及碳排放，揭示影响燃料电池汽车生命周期能耗及碳排放的主要因素；同时将研究结果与具有可比性的汽油车的能耗及碳排放进行对比并分析产生差异的原因。

②.   基于我国燃料电池汽车用氢气生产、储运和加注等过程的能耗及碳排放基础数据，建立燃料电池汽车用氢气生命周期能耗及碳排放评价模型，揭示氢气生命周期能耗及碳排放的主要影响因素。

三

、 研究内容

1.建立了氢燃料电池汽车生命周期的能耗及碳排放评价流程（见图1），基于国内外燃料电池乘用车(FCV)的性能指标和我国汽油乘用车(GV)平均整备质量和油耗限值等
，确定了汽车生命周期能耗及碳排放分析用燃料电池乘用车和比较用汽油车的“模型车辆（见表1）”
。

图1 汽车生命周期的能耗及碳排放评价流程

表1 计算模型用汽油车GV和燃料电池车FCV的主要参数

2. 建立了电解水制氢
、煤气化制氢和天然气水蒸气重整制氢三种路径下氢气生产阶段能耗及碳排放计算模型（见图2）
，主要工作可分为三部分。

图2 氢气生命周期能耗及碳排放计算模型

第一
，基于甲烷的水蒸气重整制氢的理论和实际总化学反应方程式（见式（1）和（2）），提出了采用甲烷供给系数γ评价实际制氢效率的方法。实际水蒸气重整制氢系统中甲烷供给系数通常大于1时，该值越大
，表明天然气水蒸气重整制氢系统的实际消耗率大，能耗和碳排放多。案例分析表明
，某天然气水蒸气重整制氢系统的甲烷供给系数γ=1.86；即实际能够转换为氢气的天然气仅为实际使用天然气的53.7%。

              （1）

               （2）

第二，考虑煤中碳和氢元素含量的影响，用方程式(3)描述了煤气化制氢的化学反，使煤气化制氢化学反应方程更接近实际反应
。并基于该反应式提出了煤气化制氢原料煤理论消耗量L_m和CO₂理论排放因子W_CO2的概念

，并计算了6种煤气化制氢工艺用煤的理论煤消耗量和CO₂排放因子（见表2）。

            (3)

表2 几种煤气化制氢工艺用煤的理论煤消耗量和CO₂排放因子

   第三
，推导了加氢站氢气压缩和冷却能耗
、以及碳排放的理论计算公式
，基于实验数据获得了氢气定容比热随温度变化的经验公式
。基于建立的氢气生产阶段能耗及碳排放计算模型计算了FCV用氢气生命周期中生产阶段的能耗及碳排放因子（见表3）。

表3  氢气WTT阶段的能耗和二氧化碳排放因子

3.建立了氢燃料电池汽车（见图3）和汽油车生命周期的能耗及碳排放计算模型
。以汽油和燃料电池乘用车“模型车辆”为例，计算和分析了汽车生产阶段
、使用阶段、保养阶段和报废阶段的能耗和碳排放及其在生命周期能量和碳排放的占比（见表4及表5）。并基于该模型计算了不同百公里能耗和生命周期行驶里程下汽油和燃料电池乘用车生命周期能量和碳排放量；以及电力排放因子下燃料电池乘用车生命周期的能量和碳排放和使用不同路径氢气时模型FCV相对于GV的生命周期的能耗和碳排放量
。

图3氢燃料电池汽车生命周期的能耗及碳排放计算模型

表4 模型车辆各阶段能耗(MJ)及碳排放(kgCO₂)清单

表5 模型车辆各阶段能耗及碳排放占比

四、研究成果

主要研究成果可以概括为如下3方面
。

①.   建立了氢燃料电池汽车生命周期内能耗及碳排放评价模型


。该模型可用于不同车型及使用不同来源氢气的FCV生命周期及其各阶段能耗及碳排放的评价与分析。

②.   建立了电解水制氢、煤气化制氢和天然气水蒸气重整制氢三种路径下氢气生产阶段能耗及碳排放的计算模型。该模型可用于FCV用氢气生命周期能耗及碳排放
、以及生产阶段制氢效率的定量分析与评价。

③.   基于上述两个模型，获得了模型车辆百公里油耗
、生命周期行驶里程对GV和FCV生命周期及各阶段的排放及其占比的影响规律

；以及FCV使用清洁电力电解水生产的氢气行驶时，生命周期碳排放量和能耗量的变化特性
。