燃料電池汽車生命周期分析綜述

楊佳珞，舒俊豪，徐 鑫，武小花

（西華大學汽車測控與安全四川省重點實驗室,四川 成都 610039）

燃料電池汽車具有高效、清潔、零污染等優點[1]。目前，現代、豐田和本田等車企都已有燃料電池汽車投入市場，它們的性能以及續駛里程已經可以與目前的傳統燃油汽車別無二致。近年來，我國燃料電池汽車技術研發取得重大進展。在國家政策的大力支持下，我國燃料電池汽車產業鏈初具雛形[2]。當前我國燃料電池汽車正處在示范應用推廣初級階段，其高效清潔的優勢只是針對行駛階段。如果從汽車生命周期角度出發，燃料電池汽車是否能起到節能減排作用，與混合動力汽車、純電動汽車相比是否具有更好的環境效益，這些問題存在著較大的爭議。因此，對燃料電池汽車進行生命周期分析是必不可少的。

本文簡介了生命周期分析方法，對燃料電池汽車生命周期分析的國內外應用現狀進行了綜述，指出目前我國燃料電池汽車生命周期分析中存在的問題，并展望了FCV-LCA（fuel cell vehicles-life cycle assessment,燃料電池汽車生命周期評價）未來的發展方向。

1 生命周期分析方法及實施步驟

1.1 生命周期分析方法概述

生命周期分析理論可以評估產品在整個生命周期所有投入產出以及對環境造成的影響[3]，涉及的領域包括能源、環境、經濟評價以及社會政策等各方面[4-5]。生命周期分析將產品整個生命周期分為不同的階段，并依次分析，對于解決“氫燃料電池汽車是否真的節能減排”這一問題，是一種行之有效的方法。生命周期分析有助于企業實施清潔生產，幫助政府部門優化能源、運輸和廢物管理方案，引導、指導“綠色營銷”和“綠色消費”[6]。

燃料電池汽車生命周期分析可以對燃料電池汽車生命期間內的成本、能源消耗和環境污染情況進行綜合評價，近年來已經有越來越多的學者在這個問題上進行了相關研究[7]。

對汽車進行生命周期分析時，一般將汽車的整個生命周期分為車輛材料生命周期以及燃料生命周期，如圖1 所示。車輛材料生命周期針對除燃料外的部分，包括原材料開采、原料生產、零部件的生產、汽車裝配、報廢回收等過程。燃料生命周期針對燃料，包括原料開采、原料儲存、原料運輸、加工、產品儲存、產品運輸、使用的整個過程。燃料生命周期可劃分為兩階段，WTT（well to tank，油井到油箱）與TTW（tank to wheel，油箱到車輪）。WTT 階段指從原料開采到燃油加注的整個過程。TTW 階段指汽車的使用階段。在目前的研究中，大部分研究是針對燃料生命周期來進行的。

圖1 汽車生命周期

1.2 相關標準

1993 年6 月國際標準化組織擬定包含LCA(life cycle assessment，生命周期分析)的ISO14000環境管理系列標準[8]。經過30 來年的發展，生命周期分析在國內外建立了相關標準。相繼推出有ISO14040：2006《環境管理-生命周期評價-原則與框架》[9]、ISO14044：2006《環境管理-生命周期評價-要求與指南》[10]。參考國外，我國推出了GB/T 24040—2008《環境管理-生命周期評價-原則與框架》[11]、GB/T 24044—2008《環境管理-生命周期評價-要求與指南》[12]。《中國制造2025》[13]和《工業綠色發展規劃（2016—2020 年）》[14]也提出 “強化產品全生命周期綠色管理”。

1.3 生命周期分析實施步驟

總體上來講，LCA 可以分為4 個主要步驟：目標和范圍的確定、清單分析、影響評價、結果解釋[15]，如圖2 所示。

圖2 生命周期分析實施步驟

1.3.1 目的與范圍的確定

作為生命周期分析的第一步，這一步應該清晰的表明進行生命周期分析的目的和原因。范圍界定包括確定研究對象的系統邊界、功能單位、數據要求、數據分配方式等[16]。這一步是生命周期分析中關鍵的一步，目的與范圍的確定會影響整個生命周期分析的結果與最終結論。在燃料電池汽車的生命周期分析中，這一步往往是選取研究對象和確定進行生命周期分析的范圍。

1.3.2 清單分析

清單分析階段分析供應鏈每個節點消耗或生產的能源和材料的數量[17]。具體做法為對所研究系統的數據進行收集處理，客觀量化輸入與輸出。在燃料電池汽車的生命周期分析中，這一步為建立生命周期分析模型，包括燃料生產模型、車輛生產模型、車輛模型等，之后對生命周期中的每一單元進行數據收集，最后計算和匯總收集的數據，得到研究車輛的生命周期清單結果。

1.3.3 影響評價

影響評價需要評價所研究系統或產品清單分析結果對環境的影響，為了便于直觀地認識此影響，一般將清單分析的數據轉化為影響類別，并對數據進行歸一化、特征化和量化處理。有學者使用CML2001 的評價方法來評價燃料電池汽車生命周期分析的結果。該評價方法將汽車生命周期對環境造成的影響分為礦產資源消耗、化石能源消耗、光化學煙霧潛值、全球變暖潛值、酸化潛值、水體富營養化潛值和臭氧層損耗潛值7 項指標[18]。

1.3.4 結果解釋

這一步需要對前兩步的結果做出解釋，檢查生命周期分析的完整性，并給出結論、局限和建議等。在燃料電池汽車的生命周期研究中，有部分學者針對影響生命周期結果的關鍵變量進行敏感性分析，此外，這一步可得出所研究的車輛的生命周期結果與其他同級別不同燃料車輛的對比結論，便于找出問題的關鍵點，提出意見或建議。

2 FCV-LCA 在國外和國內研究現狀

2.1 國外研究現狀

國外對汽車生命周期分析的研究起步較早。上世紀90 年代初，許多國家開始從事有關生命周期分析的方法研究，已取得一定的進展[19]。國外眾多研究機構相繼研發了相應軟件，建立了龐大的數據庫與模型。目前，較為主流的用于生命周期分析的軟件有由美國的Greet[20]、德國的Gabi[21]、荷蘭的Simapro[22]等。此外，國外學者也運用生命周期方法對燃料電池汽車做了大量研究。

2.1.1 對制氫路徑的研究

近年來，國內外燃料電池汽車生命周期分析中有大部分是針對氫的生產途徑來進行研究的，如表1 所示。

表1 針對制氫路徑進行研究的文獻

Bartolozzi 等[23]的研究結果表明，在基于可再生能源的使用中，使用氫和電力，大多數影響類別上優于意大利電網；氫氣因為其存在儲存和運輸階段，加上其生產效率低，在環境保護能力上總體不如使用可再生能源生產的電能。加拿大學者 Ahmadi等[24]通過研究發現，使用氫燃料電池汽車可以大量減少溫室氣體和空氣污染物排放，同時大大降低生命周期燃料成本。Liu 等[25]的研究表明，氫的壓縮和液化用電對WTW 結果影響較大，不應忽略。日本學者Wang 等[26]經過研究得出了氫的供給途徑對生命周期結果影響較大的結論。西班牙學者Valente 等[27]研究發現，天然氣重整制氫過程的碳排放、能耗、酸性物質排放占生命周期的30%以上，高于生物質氣化制氫與風電制氫，但 Khzouz等[28]經過成本計算后得出，從成本角度考慮，集中式天然氣重整制氫是最經濟可行的選擇。阿根廷的 Iannuzzi 等[29]針對當地客車的分析表明，沼氣重整制氫技術的能耗比固體生物質氣化制氫更低。He 等[30]研究了2017 年和未來2030 年中國輕型燃料電池車輛，結果表明，電網結構中煤電比例小于20%時，電網電解水制氫的燃料電池車輛的溫室氣體、NOX、PM2.5、SO2排放量可低于傳統內燃機汽車。

2.1.2 對不同車輛技術的研究

Baptista 等[31]重點研究了使用新能源對英國倫敦出租車的影響，結果表明，燃料電池汽車能有效降低能耗與排放。Lee 等[32]分析了幾種中重型貨車使用氫燃料電池和柴油的生命周期評價結果，并考慮了未來技術進步后的影響，結果同樣表明，使用燃料電池在能耗與排放上具有優勢。Candelaresi等[33]比較了3 種不同燃料乘用車的環境生命周期性能，研究指出，使用氫與天然氣或氫與汽油混合驅動的車輛在短期內是一個較好的方案。

2.1.3 對經濟性的研究

Rocco 等[34]利用生命周期分析模型分析了2050 年德國燃料電池汽車預期滲透率下的經濟和環境影響，結果表明，氫氣的生產和分配以及國家電力組合對結果影響較大。Ally等[35]建立了生命周期成本模型，以澳大利亞西部為例，對柴油價格、電價、氫價對成本的影響做了敏感性分析，研究指出，與傳統柴油汽車相比，氫燃料電池汽車的經濟性還有待提高。Wei 等[36]也建立了計算燃料電池汽車燃料經濟性的模型，將計算結果作為GREET的輸入，研究不同驅動方式的影響，結果表明，快速換擋驅動模式下的經濟性最好。

2.1.4 對燃料電池系統部件的研究

Usai 等[37]對燃料電池系統進行了研究，結果表明，儲氫罐、陰極催化和輔助元件是質子交換膜燃料電池制造過程中產生排放的關鍵部件。Evangelisti 等[38]研究也同樣表明，燃料電池堆和儲氫罐的生產過程將對環境產生較大的影響。Sean等[39]研究指出，使用動態排放系數來決定何時運行電解槽是減少二氧化碳當量排放的有效方法。

2.2 國內研究現狀

2.2.1 對制氫路徑的研究

與國外相比，國內對汽車生命周期的研究起步較晚，此方面的研究也較少，目前的研究方法基本上是參考國外相對應的方法，在數據庫的建立相對較差，很多研究都是基于國外的數據背景來進行的。與國外研究相比，國內從制氫路徑入手的研究數量更加龐大。

Hwang[40]的研究結果表明，使用可再生能源制氫雖然可以大幅度減少能耗和環境影響，但成本過高，用現有電網結構的電制氫，能耗和排放都高于傳統汽油車。Yang 等[41]也發現，國家電網制氫的燃料電池汽車無明顯正效益。陳軼嵩等[42]研究表明，要讓電解水法成為大面積制氫的可行方案，不僅要提高能源利用率，還要在關鍵技術上取得進步。朱昊等[43]的研究指出，工廠焦爐煤氣制氫在所研究的制氫方法中的總能耗和溫室氣體排放量較低，氫氣運輸距離對生命周期評價結果的影響很大。Ren 等[44]的研究結果也顯示，氫的輸送和儲存階段的一次能源消耗和溫室氣體排放不容忽視。孔德洋等[45]通過研究發現，基于風能的電解水制氫能耗和排放較低且經濟效益好。林婷等[46]建立了適用于我國本土的燃料電池汽車燃料生命周期數據庫，研究結果顯示，使用清潔能源制氫，最多可減少燃料生命周期化石能耗和二氧化碳排放90%以上。Xu 等[47]以中國的工業和運輸數據為基礎來分析，結果表明，目前天然氣重整制氫后再使用管道運輸高壓氫氣的方案總體環境效益最好。

2.2.2 對不同車輛技術的研究

郭焱等[48]和黃偉等[49]通過研究發現，燃料電池汽車在空氣污染物的排放上具有明顯優勢。在程昊等[50]從與高玉冰等[51]的研究中，燃料電池汽車的WTW 能耗低于以柴油、天然氣和汽油為燃料的內燃機汽車。Wang 等[52]從能源消耗、碳排放、PM2.5、效率和材料的使用等方面對傳統柴油汽車、純電動汽車、燃料電池汽車進行了分析。方海峰等[53]選取了七款不同類別能源中型貨車為研究對象，基于Gabi 平臺建立計算模型，并將最終的輸出環境影響進行了比較分析。楊沛豪[54]使用GREET 軟件對美國當前市場上的9 款不同品牌不同大小的家用轎車進行了生命周期碳排放比較。Wu 等[55]對比了氫燃料電池汽車和甲醇重整嵌入式燃料電池汽車的環境影響和經濟性。丁振森等[56]通過MATLAB 建模并計算分析了燃料電池汽車和插電式混合動力汽車生命周期的能耗和排放差異。

2.2.3 其他方向的研究

除上述研究外，有很多學者在其他方向上也進行了研究。朱昊等[57]在另外一篇文獻中對燃料電池公交車生命周期的能耗和排放進行了計算和分析，使用遺傳算法求解燃料電池公交車最優電源配置方案。Li 等[58]建立了生命周期成本(life cycle cost,LCC)模型來評價交通政策、環境政策等因素對汽車生命周期成本的影響，并對中國12 個城市的內燃機汽車、純電動汽車、燃料電池汽車的生命周期成本進行了研究，結果表明，純電動汽車和燃料電池汽車在一線城市具有較強的成本競爭力，在新一線、二線及以下城市，傳統汽車在LCC 中仍有優勢。袁飛等[59]從生命周期的角度對燃料電池和內燃機進行了對比研究，預測在汽車行業燃料電池將會代替內燃機。

3 存在的問題與建議

目前國內外對燃料電池汽車生命周期的分析大多集中在對其生命周期能耗、二氧化碳和有害物質排放上，對其成本的分析相對較少。另外，當前許多學者使用生命周期分析方法研究了不同制氫方案對燃料電池汽車的成本和環境影響，而燃料電池系統、動力電池系統等能量源系統核心部件生命周期成本、能耗、環境影響的研究被忽視。再者，當考慮燃料電池、動力電池以及氫能生命周期的成本、能耗、環境效益后，燃料電池汽車的能量源系統該如何配置，能量管理策略該如何制定，均有待回答。

生命周期分析方法的優點相當明顯，但其在國內的使用上還存在著一些需要解決的問題。在國內的燃料電池汽車生命周期研究中，很多研究的數據背景都是基于國外數據庫的，由于國與國之間的差異，很有可能對研究結果產生影響，因此，需要針對我國的能源與環境情況，建立適合中國的數據庫，才能使研究結果更為準確。

4 結論與展望

在新能源汽車的發展中，對燃料電池汽車進行生命周期分析是必要的，定量分析 燃料電池汽車各個階段的能耗與排放等指標可為與燃料電池汽車相關的政策或戰略的制定提供參考。本文綜述了燃料電池汽車的國內外生命周期評價現狀，并針對我國燃料電池汽車生命周期分析中存在的問題與挑戰提出建議：1）國內外對燃料電池汽車生命周期成本的分析相對較少，應該加強該方面的研究；2）重視能量源系統核心部件生命周期成本、能耗、環境影響的研究；3）今后需要重點加強關于燃料電池汽車的能量源系統該如何配置，能量管理策略如何制定方面的研究。最后展望了將來燃料電池汽車生命周期評價的發展方向，指出需要針對我國的能源與環境情況，建立適合中國的數據庫，才能使研究結果更為準確。

目前我們正處在以清潔低碳為導向的新一輪能源變革中。中國是世界上能源利用效率提升最快的國家，要在2060 年前實現碳中和[60]，必須構建高效清潔的能源體系。發展車用新能源，尋找現有傳統燃料的代替品，對于邁向環境友好型發展意義非凡。此外，針對復雜的面向生命周期的燃料電池汽車能量管理問題，如何基于現有研究水平提高和完善能量管理算法的優化性能和理論體系，是當前能量管理控制發展亟需解決的重要挑戰。