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摘要：由于环境污染严重，全球气候变暖，大多数国家和地区先后将在2030-2040年禁售燃油车，燃油车逐渐退出历史舞台，新能源汽车成为未来的主流车辆，而目前氢燃料电池汽车和纯电动汽车作为典型的新能源汽车，两者的相同点和不同点的研究甚少，因此本文将从充放电原理、底盘结构、电池性能，成本分析等方面对两者进行分析，为后续两者的发展提供一些理论基础，为消费者的选择提供一些资料参考。

关键词：燃料电池；锂电池；电池性能；成本分析

0 引言

氢燃料电池汽车是一种以氢气为燃料，氢气与氧气经电化学反应后产生电能[1]，再通过电机驱动行驶的汽车。氢气和氧气反应生成水，不排放碳化氢、一氧化碳等污染物，反应过程清洁、干净，发电效率高。氢燃料电池本质上来说是一种将氢气与氧化剂的化学能通过电化学反应转换成电能的发电装置[2]。纯电动汽车是一种以车载电源为动力[3]，向电机提供电能从而驱动行驶的汽车。车载电源为蓄电池，可储存电能。

目前，由于环境污染严重，全球气候变暖，大多数国家和地区计划在2030-2040年禁售燃油车，新能源汽车将逐渐取代燃油车。在2019年8月，我国工信部在《关于研究制定禁售燃油车时间表加快建设汽车强国的建议》的回复中明确指出“将支持有条件的地方建立燃油汽车禁行区试点，在取得成功的基础上，并统筹制定燃油汽车推出时间”。由此看出，在国家政策的推动下，新能源汽车将占据主要市场，成为未来的主流车辆。而纯电动汽车和氢燃料电池汽车作为目前最热的两种新能源车型，针对这两者的对比研究甚少，因此本文将从充放电原理、底盘结构、电池性能，成本分析等方面对两者进行研究，为后续两者的发展提供一些理论基础，为消费者的选择提供一些资料参考。

1氢燃料电池汽车和纯电动汽车可充电、放电的原理及过程

（1）氢燃料电池汽车的充电、放电原理

氢燃料电池汽车动力系统主要由燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。[3]

氢燃料电池汽车从加氢站加入氢气并储存在氢气储罐中，其放电原理为：氢气储罐中的氢气通过燃料电池正极中的催化剂（铂）分解为电子和氢离子（质子），氢离子通过质子交换膜到达负极和氧气反应变成水和热量，而电子则从正极通过外电路流向负极产生电能，从而放电。

（2）纯电动汽车的充电、放电原理

纯电动汽车的动力系统主要由电源、电动机控制装置和驱动电机等组成，其中电源主要为铅酸电池或磷酸铁锂电池，而磷酸铁锂电池应用更广，因此本文主要讨论的的是磷酸铁锂电池。

纯电动汽车电池的充电原理为：在充电过程中磷酸铁锂中的部分锂离子，在电场力的作用下，经电解质传递到负极，嵌入负极石墨晶格中，而从正极释放出的电子，自外电路到达负极，维持化学反应的平衡；

纯电动汽车电池的放电原理：在放电过程中，锂离子自负极石墨晶格中脱嵌出来，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外电路到达正极，从而为外界提供电能，磷酸铁锂电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。

由此可以看出，氢燃料电池汽车和纯电动汽车从电池的充、放电原理来看，两者是完全不同的，氢燃料电池汽车是将氢气转化为电能，而磷酸铁锂电池汽车是通过储存外界输入的电能，再进行放电。

2氢燃料电池汽车和纯电动汽车的对比分析

氢燃料电池汽车和纯电动汽车从底盘结构、电池性能及运营成本方面都有很大区别，且各自均有优缺点，本部分将从这些方面对两者进行分析研究。

（1）底盘结构对比

氢燃料电池汽车与纯电动汽车总体结构相似，其电机和控制器可通用，主要区别在于氢能源电池汽车的电池系统增加了燃料电池系统和供氢系统，氢燃料电池=燃料电池+动力电池（锂电池），纯电动电池=动力电池（锂电池），而两者的动力电池不可互换。

氢能源的锂电池是为电堆做缓冲，削峰填谷，电量小，充、放电倍率高；纯电动的锂电池只用于储能，电量大，充、放电倍率较低。氢燃料电池中的锂电池可替代纯电动的锂电池，但纯电动中锂电池不能替代氢能源中的锂电池。

（2）燃料电池与锂电池对比

锂电池是一种储能装置，实际上是先将输入的电能储备起来，待到用时再通过输出装置输出电能；燃料电池是能量转化装置[4]，相当于传统的发动机，而不是储能装置，其燃料和氧化剂不是经过燃烧，而是通过电化学反应转换成电能，驱动车辆。表1将从结构、材料能量密度和安全性等方面进行对比分析。

由表1可看出，氢燃料电池具有能量密度高，补给时间短 ，环境温度适应性好等优点，但氢燃料电池的成本是纯电动电池成本的10倍，价格高昂，且目前加氢站的数量远远小于充电桩的数量，存在加氢困难的劣势，因此推广难度较大。但从长远看，在电堆应用规模化后，还是极具优势。

（3）氢燃料电池汽车与纯电动汽车的成本分析

氢燃料电池汽车与纯电动汽车从成本方面分析，以8吨上装餐厨垃圾车的纯电动底盘和氢燃料电池底盘为例进行成本分析对比。

1）采购成本分析

根据市场调研，目前的氢燃料电池整车售价是纯电动汽车整车售价的2.5倍。

2）运营成本分析

a、纯电动汽车

纯电动汽车以上汽纯电动汽车为例，能量密度为162kWh，续驶里程为430km，即38kWh/100km，按照0.6元/kWh计算，该车能耗使用成本为23元/100km；

b、氢燃料电池汽车

氢气热值1.4×108J/kg，1度电的热值3.6×106J，即1kg氢气可以完全转换成38度电。一般燃料电池的发电转化率约40%，所以1kg氢气经燃料电池可以产生约15度电。

氢燃料电池底盘以上汽捷氢底盘为例，该车实际储氢量为14.85kg，可以转换的电量为14.85×15=222.75度电。

该车的续航里程为500km，换算为0.4455kWh/km，即为2.97kg/100km，按照氢气补贴后40元/kg，该车能耗使用成本为118.8元/100km。未补贴为60元/kg，则此种情况下该车能耗使用成本为178.2元/100km。注意：各地方政府对氢气的价格补贴力度有差异。

由表2可看出，在没有地方政府补贴的情况下，氢燃料电池汽车的运营成本是纯电池汽车的7.7倍，在有地方政府补贴的情况下，氢燃料电池汽车的运营成本是纯电动汽车的5.2倍。

结论

本文对氢燃料电池汽车和纯电动汽车从充、放电原理，底盘结构、电池性能及成本等方面进行对比研究，得出的结果如下：

（1）纯电动汽车电池是一种储能装置，先将输入的电能储备起来，待到用时再通过输出装置输出电能；氢燃料电池是能量转化装置，而不是储能装置，其燃料和氧化剂不是经过燃烧，而是通过电化学反应转换成电能，驱动车辆。

（2）氢燃料电池汽车与纯电动汽车总体结构相似，其电机和控制器可通用，主要区别在于氢能源电池汽车的电池系统增加了燃料电池系统和供氢系统，且两者的动力电池不可互换。

（3）氢燃料电池与纯电动电池相比，具有能量密度高，补给时间短 ，环境温度适应性好等优点，但其价格高昂，加氢站少，未来的推广难度较大；

（4）从成本上来说，氢燃料电池的采购成本约为纯电动汽车的2.5倍，运营成本约是纯电动汽车的5.2-7.7倍，价格较高。

参考文献：

[1]刘宗巍，史天泽，郝瀚，赵福全.中国燃料电池汽车发展问题研究[J]汽车技术，2018（1）：1-9.

[2]殷卓成，王贺，段文益，郝军，袁文才，刘平国，雷宇奇.氢燃料电池汽车关键技术研究现状与前景分析[J].现代化工，2022，42（10）：18-23.

[3]胡玲玲. 纯电动汽车复合电源及能量控制策略研究[D]. 黑龙江：哈尔滨理工大学，2017.

[4]张一丁.氢燃料电池的应用及发展前景[J].南方农机，2020，51（18）：193-194.