燃料電池的一大優(yōu)勢(shì)是高效率，能夠更高效的利用能源。現(xiàn)在燃料電池車(chē)的研發(fā)已經(jīng)持續(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間(世界上第一輛燃料電池車(chē)為1966年通用的Electrovan)，燃料電池車(chē)也迭代了許多，那么燃料電池車(chē)的效率、氫耗水平都怎么樣呢？這里通過(guò)Argonne實(shí)驗(yàn)室在2019年底發(fā)表了一篇論文來(lái)總結(jié)一下燃料電池車(chē)的效率、能耗水平和氫耗。而豐田Mirai(2016款)作為典型產(chǎn)品，其數(shù)據(jù)可以作為燃料電池車(chē)效率和能耗水平的標(biāo)桿來(lái)對(duì)比。

1、效率的定義

Argonne在燃料電池車(chē)的評(píng)價(jià)中定義了三個(gè)效率：燃料電池電堆效率，燃料電池系統(tǒng)效率，車(chē)輛效率。

電堆效率：如上圖，電堆效率只考慮電堆本身。從計(jì)算區(qū)間的開(kāi)始到結(jié)束產(chǎn)生的功率和(即電堆總輸出能量)/期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量(按低熱值計(jì)算)。

系統(tǒng)效率：如上圖，系統(tǒng)效率考慮電堆及其相關(guān)輔件帶來(lái)的功率消耗。電堆功率減去輔件功率在測(cè)量區(qū)間內(nèi)的功率和(系統(tǒng)總輸出能量)/期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量(按低熱值計(jì)算)。

車(chē)輛效率是一個(gè)燃油車(chē)經(jīng)常使用的概念，計(jì)算公式為：根據(jù)SAE J2951定義的正工況能量/期間消耗的氫氣的總流量反應(yīng)生成水后釋放的能量(按低熱值計(jì)算)。

按照SAE J2951定義，由于正能量在燃料電池車(chē)上并沒(méi)有在標(biāo)準(zhǔn)里定義，這里可以反過(guò)來(lái)看負(fù)能量。負(fù)能量即由于剎車(chē)或用于減少非制動(dòng)減速期間發(fā)動(dòng)機(jī)所需的道路負(fù)荷功導(dǎo)致的能量損失。那對(duì)于燃料電池車(chē)，小編理解，正能量應(yīng)該包括燃料電池系統(tǒng)輸出的能量及能量回收回收的能量。對(duì)純電池車(chē)來(lái)說(shuō)，由于分子為發(fā)出功率而非消耗功率，這個(gè)計(jì)算公式可能會(huì)算到超過(guò)100%，因此小編覺(jué)得用此公式來(lái)評(píng)估電動(dòng)車(chē)并不完全合理。(不知道對(duì)不對(duì)，如有錯(cuò)誤請(qǐng)指出~)

2、燃料電池車(chē)典型工況綜合效率和能耗

根據(jù)EPA(U.S. Environmental Protection Agency)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，近年來(lái)燃料電池車(chē)的典型工況綜合效率和能耗水平如下圖所示：

可以看到近10幾年間，燃料電池車(chē)的車(chē)輛工況效率有了較大的提升。以本田為例，從早期的Honda FCX Clarity到后面的Honda Clarity Fuel Cell，FTP效率從54%提高到了67%，HWFET效率從51%提高到了57%。而本田、豐田、現(xiàn)代這幾家燃料電池車(chē)領(lǐng)頭羊，在這一代(2019年左右)，車(chē)輛的效率都十分近似，大家水平都差不多。但是工況綜合效率畢竟是統(tǒng)計(jì)全工況下的效率得出的，對(duì)燃料電池車(chē)開(kāi)發(fā)和評(píng)估來(lái)說(shuō)，我們還需要一個(gè)典型的在各個(gè)功率下的一個(gè)典型效率(即效率-功率曲線)，或者說(shuō)一個(gè)標(biāo)桿作為我們的參照物來(lái)判斷自己燃料電池車(chē)做的如何。

3、燃料電池車(chē)典型效率-功率曲線(以Mirai為標(biāo)桿)

Argonne使用Mirai進(jìn)行了如下的工況測(cè)試，測(cè)試首先包含三個(gè)FTP定義的UUDS(The Urban Dynamometer Driving Schedule)工況，這是一種較緩和的城市工況，可以從下圖的車(chē)速就可以看出來(lái)。然后車(chē)輛會(huì)跑兩個(gè)高速工況(HWFET)和兩個(gè)US06工況。HWFET是一種美國(guó)高速工況燃油經(jīng)濟(jì)性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況，而US06為一種車(chē)速較大的激烈工況。

測(cè)試結(jié)果如下圖所示，可以看到，工況越緩和，燃料電池電堆和燃料電池系統(tǒng)的效率越高。工況對(duì)電堆效率的影響較小，而對(duì)系統(tǒng)效率影響較大。激烈的US06工況下，相比UDDS，燃料電池電堆的效率下降僅約3%。而工況的變化使燃料電池系統(tǒng)效率下降了近23%。

匯總了測(cè)試結(jié)果后，可以得出Mirai的效率-功率曲線。如下圖所示，可以看到，功率越低，燃料電池系統(tǒng)效率與電堆效率越接近；功率越高，燃料電池系統(tǒng)效率與電堆效率相差越大。全功率區(qū)間內(nèi)，電堆的最大效率為66%，而燃料電池系統(tǒng)最大效率為63.7%。在25%電堆功率時(shí)，系統(tǒng)效率為58%，電堆效率約61%。到峰值功率，電堆114kW時(shí)，電堆效率會(huì)下降到約49%，而系統(tǒng)效率則僅剩約40%。從空壓機(jī)和DCDC效率曲線的變化可以看出，后面系統(tǒng)效率的降低，主要是因?yàn)镈CDC的效率降低以及空壓機(jī)的功耗迅速增加。當(dāng)然水泵，氫泵這些也會(huì)增加一些消耗，但是這些零部件功耗較小故對(duì)系統(tǒng)效率的影響比較小。

從圖中可以大致可以讀到幾個(gè)參考點(diǎn)的效率：

4、溫度對(duì)燃料電池車(chē)的能耗的影響

如上圖，將不同工況及溫度中的功率進(jìn)行分解可以看到溫度對(duì)燃料電池系統(tǒng)功耗的影響。在啟動(dòng)流程的功耗組成中，-7℃的功耗要大于25℃及35℃，增長(zhǎng)的功耗主要來(lái)源于空調(diào)和空壓機(jī)增長(zhǎng)的功耗。而冷啟動(dòng)帶來(lái)的功耗增長(zhǎng)要遠(yuǎn)大于熱啟動(dòng)，這主要是因?yàn)闊釂?dòng)時(shí)不需要那么多功耗去進(jìn)行加熱與空調(diào)(畢竟溫度已經(jīng)較高了)。在運(yùn)行工況的功耗組成中，可以看到不管是高溫還是低溫都會(huì)一定程度上增加燃料電池車(chē)的功耗。高溫會(huì)導(dǎo)致DCDC效率的降低和空壓機(jī)功耗的升高，另外高溫時(shí)車(chē)內(nèi)的空調(diào)也會(huì)造成額外的能耗，綜合起來(lái)，導(dǎo)致燃料電池車(chē)的功耗變高(在UDDS和US06中)。而低溫雖然不會(huì)導(dǎo)致DCDC效率降低，但是從數(shù)據(jù)上看，它會(huì)使車(chē)輛運(yùn)行時(shí)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)所需的功耗增加，加上低溫時(shí)開(kāi)啟的空調(diào)，導(dǎo)致低溫時(shí)車(chē)輛的功耗也會(huì)較高于常溫(25℃)。

5、與混動(dòng)車(chē)、燃油車(chē)的效率及能耗對(duì)比

如上圖，將Mirai作為燃料電池車(chē)的代表，與其他類(lèi)型的車(chē)放在一起比較，可以看到不同動(dòng)力系統(tǒng)車(chē)輛的效率區(qū)別(見(jiàn)前文，由于車(chē)輛效率計(jì)算公式的原因，把能量回收也算進(jìn)來(lái)，故純電車(chē)會(huì)有超過(guò)100%的情況)。與混動(dòng)汽車(chē)(25°C下平均45.7％)和傳統(tǒng)車(chē)輛(25°C下平均23.5％)相比，燃料電池車(chē)具有顯著的車(chē)輛效率優(yōu)勢(shì)(25°C下平均62.2％，而混動(dòng)45.7%，油車(chē)23.5%)。Mirai是一種小電池-大電堆燃料電池混動(dòng)車(chē)，其車(chē)輛系統(tǒng)除去燃料電池的話，基本和純電池車(chē)一致(畢竟都是電驅(qū)動(dòng)車(chē)嘛)。因此，燃料電池車(chē)輛效率是基于電動(dòng)汽車(chē)效率的(即燃料電池系統(tǒng)看做一個(gè)發(fā)電的電池)。因此，與動(dòng)力電池車(chē)輛相比，燃料電池車(chē)會(huì)具有較低的車(chē)輛效率。另外，值得一提的是，雖然效率低一些，燃料電池車(chē)效率對(duì)溫度條件不像動(dòng)力電池車(chē)那么敏感(如上圖紅框所示)。

如上圖的燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果看，Mirai的能耗水平(2.044 MJ/英里)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于燃油車(chē)的馬自達(dá)3(3.996 MJ/英里)，稍強(qiáng)于混動(dòng)的普銳斯(2.102 MJ/英里)，但相比純電普銳斯落后(0.817 MJ/英里)。

從這組數(shù)據(jù)中也能看到Mirai作為燃料電池車(chē)標(biāo)桿產(chǎn)品，其綜合氫耗水平約為(文中并未解釋如何計(jì)算)：

城市道路：1.08kg/100km

高速：1.02kg/100km

綜合：1.05kg/100km

總結(jié)

1.以Mirai為標(biāo)桿，燃料電池電堆和系統(tǒng)的典型功耗大約為：

(功率-效率曲線見(jiàn)前文)

2.計(jì)算工況下的綜合效率時(shí)，工況的變化對(duì)電堆效率的影響不大，但是對(duì)系統(tǒng)的效率影響較大。工況越激烈，車(chē)速越高，系統(tǒng)和電堆的綜合效率越低，且兩者的差距越大。

3.對(duì)于燃料電池車(chē)來(lái)說(shuō)，低溫主要會(huì)帶來(lái)額外的冷啟動(dòng)功耗，以及增加空調(diào)和車(chē)輛運(yùn)行本身消耗的能量。而高溫主要會(huì)增加空壓機(jī)功耗和DCDC的損耗，從而提高燃料電池車(chē)的功耗，降低效率。

4.溫度對(duì)燃料電池車(chē)的效率影響沒(méi)有純電車(chē)那么嚴(yán)重。

5. 燃料電池車(chē)的能耗和車(chē)輛效率表現(xiàn)均遠(yuǎn)優(yōu)于混動(dòng)車(chē)和燃油車(chē)，但是劣于純電車(chē)。(但是由于車(chē)輛效率計(jì)算公式的局限性，小編認(rèn)為此方法對(duì)電動(dòng)車(chē)有局限性)

6.Mirai作為標(biāo)桿產(chǎn)品，其綜合氫耗水平約為：

城市道路：1.08kg/100km

高速：1.02kg/100km

綜合：1.05kg/100km

(文中并未解釋如何計(jì)算，也未解釋是否區(qū)分了溫度，數(shù)據(jù)僅供參考)

參考文獻(xiàn)：

[1]HenningLohseBusch,KevinStutenberg,XinyuLiu,AmgadElgowainy,Michael Wang,Thomas Wallner,Brad Richard,Martha Christenson. Automotive fuel cell stack and system efficiency and fuel consumption based on vehicle testing on a chassis dynamometer at minus 18℃to positive 35℃temperatures[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2020,45(1),861-872.

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編輯|闞雪婷

審核|薛靜

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總結(jié)

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