氢燃料电池重型商用车全生命周期评价研究及不确定性分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.019

Abstract

Abstract:

The hydrogen fuel cell heavy-duty commercial vehicle （FCHCV） is one of the ideal solutions to address energy security and greenhouse gas emissions. However， the full life cycle energy consumption and emissions of FCHCVs under key parameter scenario simulations are still unclear. This study evaluates a domestic FCHCV based on the life cycle assessment method， with a focus on analyzing the life cycle energy consumption and emissions results of FCHCV under four hydrogen production paths， which are coal gasification， methane reforming， mixed power electrolysis， and photovoltaic electrolysis. Uncertainty analyses are conducted on the fuel cell stack degradation， hydrogen consumption per hundred kilometers， and vehicle lifespan. The results show that the FCHCV using photovoltaic electrolysis has the lowest life cycle energy consumption and carbon emissions. Improving fuel economy and vehicle lifespan， and delaying fuel cell stack degradation can effectively improve the environmental impact of FCHCV during the life cycle.

Key words: hydrogen fuel cell, heavy-duty commercial vehicles, life cycle assessment, fuel cell degradation, uncertainty analysis

Shuo Zhang,Xu Cai,Chunmei Zhang,Libo Lan,Xuqi Zhang,Yisong Chen. Life Cycle Assessment Research and Uncertainty Analysis of Hydrogen Fuel Cell Heavy-Duty Commercial Vehicles[J].Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2366-2386.

Figures/Tables 26

References 33

1	刘宗巍，史天泽，郝瀚，等. 中国燃料电池汽车发展问题研究［J］. 汽车技术， 2018（1）：1-9.
	LIU Z W， SHI T Z， HAO H， et al. Research on main problems associated with development of fuel cell vehicle in China［J］. Automobile Technology， 2018（1）：1-9.
2	谭旭光，余卓平. 燃料电池商用车产业发展现状与展望［J］. 中国工程科学， 2020， 22（5）：152-158.
	TAN X G， YU Z P. Development status and prospects of fuel cell commercial vehicle industry［J］. Strategic Study of CAE， 2020， 22（5）：152-158.
3	邵志刚，衣宝廉. 氢能与燃料电池发展现状及展望［J］. 中国科学院院刊， 2019， 34（4）：469-477.
	SHAO Z G， YI B L. Developing trend and present status of hydrogen energy and fuel cell development［J］. Bulletin of Chinese Academy of Sciences， 2019， 34（4）：469-477.
4	李航，胡尊严，胡家毅，等. 新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证［J］. 汽车工程， 2022， 44（8）：1183-1198.
	LI H， HU Z Y， HU J Y， et al. Design， analysis and validation of novel distributed drive liquid hydrogen fuel cell heavy commercial vehicles［J］. Automotive Engineering， 2022， 44（8）：1183-1198.
5	侯明，邵志刚，俞红梅，等. 2019 年氢燃料电池研发热点回眸［J］. 科技导报， 2020， 38（1）：137-150.
	HOU M， SHAO Z G， YU H M， et al. Review of hot topics on hydrogen fuel cell in 2019［J］. Science & Technology Review， 2020， 38（1）：137-150.
6	KANNANGARA M， BENSEBAA F， VASUDEV M. An adaptable life cycle greenhouse gas emissions assessment framework for electric， hybrid， fuel cell and conventional vehicles： effect of electricity mix， mileage， battery capacity and battery chemistry in the context of Canada［J］. Journal of Cleaner Production， 2021， 317：128394.
7	BAUER C， HOFER J， ALTHAUS H， et al. The environmental performance of current and future passenger vehicles： life cycle assessment based on a novel scenario analysis framework［J］. Applied Energy， 2015， 157：871-883.
8	EVANGELISTI S， TAGLIAFERRI C， BRETT D， et al. Life cycle assessment of a polymer electrolyte membrane fuel cell system for passenger vehicles［J］. Journal of Cleaner Production， 2017， 142：4339-4355.
9	SIMONS A， BAUER C. A life-cycle perspective on automotive fuel cells［J］. Applied Energy， 2015， 157：884-896.
10	AHMADI P， KHOSHNEVISAN A. Dynamic simulation and lifecycle assessment of hydrogen fuel cell electric vehicles considering various hydrogen production methods［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（62）：26758-26769.
11	AHMADI P， TORABI S， AFSANEH H， et al. The effects of driving patterns and PEM fuel cell degradation on the lifecycle assessment of hydrogen fuel cell vehicles［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（5）：3595-3608.
12	AHMADI P， KJEANG E. Realistic simulation of fuel economy and life cycle metrics for hydrogen fuel cell vehicles［J］. International Journal of Energy Research， 2017， 41（5）：714-727.
13	RAEESI M， CHANGIZIAN S， AHMADI P， et al. Performance analysis of a degraded PEM fuel cell stack for hydrogen passenger vehicles based on machine learning algorithms in real driving conditions［J］. Energy Conversion and Management， 2021， 248：114793.
14	CHEN Y， LAN L， HAO Z， et al. Cradle-grave energy consumption， greenhouse gas and acidification emissions in current and future fuel cell vehicles： study based on five hydrogen production methods in China［J］. Energy Reports， 2022， 8：7931-7944.
15	付佩，兰利波，陈颖，等. 面向2035的节能与新能源汽车全生命周期碳排放预测评价［J］. 环境科学， 2023， 44（4）：2365-2374.
	FU P， LAN L B， CHEN Y， et al. Life cycle prediction assessment of energy saving and new energy vehicles for 2035［J］. Environmental Science， 2023， 44（4）：2365-2374.
16	LIU F， ZHAO F， LIU Z， et al. The impact of fuel cell vehicle deployment on road transport greenhouse gas emissions： the China case［J］. The International of Hydrogen Energy， 2018， 43：22604-22621.
17	YEOW L， YAN Y， CHEAH L. Life cycle greenhouse gas emissions of alternative fuels and powertrains for medium-duty trucks： a Singapore case study［J］. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2022， 105：103258.
18	BOOTO G， AAMODT K， HANCKE R. Comparative life cycle assessment of heavy-duty drivetrains： a Norwegian study case［J］. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2021， 95：102836.
19	LEE D， ELGOWAINY A， KOTZ A， et al. Life-cycle implications of hydrogen fuel cell electric vehicle technology for medium- and heavy-duty trucks［J］. Journal of Power Sources， 2018， 393：217-229.
20	ALONSO-VILLAR A， DAVÍÐSDÓTTIR B， STEFÁNSSON H， et al. Technical， economic， and environmental feasibility of alternative fuel heavy-duty vehicles in Iceland［J］. Journal of Cleaner Production， 2022， 369：133249.
21	GUSTAFSSON M， SVENSSON N， EKLUND M， et al. Well-to-wheel greenhouse gas emissions of heavy-duty transports： influence of electricity carbon intensity［J］. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2021， 93：102757.
22	涂小岳，杨沿平，徐建全，等. LNG重型商用车和柴油重型商用车全生命周期环境排放差异评价［J］. 中国机械工程， 2013， 24（11）：1525-1530.
	TU X Y， YANG Y P， XU J Q， et al. Evaluation of difference between LNG and diesel heavy- duty commercial vehicle's life cycle environmental emission［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（11）：1525-1530.
23	涂小岳，徐建全，陈轶嵩，等. 液化天然气商用车与柴油商用车生命周期能耗差异评价［J］. 中国机械工程， 2013， 24（23）：3211-3215.
	TU X Y， XU J Q， CHEN Y S， et al. An evaluation of differences between LNG and diesel commercial vehicle's life cycle energy consumption［J］. China Mechanical Engineering， 2013， 24（23）：3211-3215.
24	彭飞，杨沿平，殷仁述，等. 商用车铝合金与钢制轮辋生命周期环境影响评价对比分析［J］. 环境科学学报， 2015， 35（12）：4136-4142.
	PENG F， YANG Y P， YIN R S， et al. Comparative analysis on life cycle environmental impacts assessment between aluminum alloy and steel rim of vehicle［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2015， 35（12）：4136-4142.
25	ZHANG X， LIN Z， CRAWFORD C， et al. Techno-economic comparison of electrification for heavy-duty trucks in China by 2040［J］. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2022， 102：103152.
26	陈轶嵩，丁振森，王文君，等. 氢燃料电池汽车不同制氢方案的全生命周期评价及情景模拟研究［J］. 中国公路学报， 2019， 32（5）：172-180.
	CHEN Y S， DING Z S， WANG W J， et al. Life-cycle assessment and scenario simulation of four hydrogen production schemes for hydrogen fuel cell vehicles［J］. China Journal of Highway and Transport， 2019， 32（5）：172-180.
27	陈轶嵩，兰利波，郝卓，等. 氢燃料电池汽车动力系统生命周期评价及关键参数对比［J］. 环境科学， 2022， 43（8）：4402-4412.
	CHEN Y S， LAN L B， HAO Z， et al. Life cycle assessment and key parameter comparison of hydrogen fuel cell vehicles power systems［J］. Environmental Science， 2022， 43（8）：4402-4412.
28	陈轶嵩，丁振森，刘佳慧，等. 面向2020年的质子交换膜燃料电池汽车生命周期评价及预测［J］. 中国机械工程， 2018， 29（21）：2546-2552.
	CHEN Y S， DING Z S， LIU J H， et al. Life cycle assessment and prediction of proton exchange membrane fuel cell vehicles for 2020［J］. China Mechanical Engineering， 2018， 29（21）：2546-2552.
29	陈轶嵩，兰利波，杜轶群，等. 基于全生命周期评价理论的EREV/BEV/ICEV环境效益及减碳经济性评估［J］. 环境科学学报， 2023， 43（2）：516-527.
	CHEN Y S， LAN L B， DU Y Q， et al. Environmental benefit and carbon reduction economic evaluation of extended range/battery electric/internal combustion engine vehicles based on life cycle assessment［J］. Acta Scientiae Circumstantiae， 2023， 43（2）：516-527.
30	HARPER G， SOMMERVILLE R， KENDRICK E， et al. Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles［J］. Nature， 2019， 575（7781）：75-86.
31	FAN E， LI L， WANG Z， et al. Sustainable recycling technology for Li-ion batteries and beyond： challenges and future prospect［J］. Chemical Reviews， 2020， 120（14）：7020-7063.
32	JIANG H， WANG Q， CHEN S， et al. Recycling-oriented cathode materials design for lithium-ion batteries elegant structures versus complicated compositions［J］. Energy Storage Materials， 2021， 41：380-394.
33	LI W， BAI H， YIN J， et al. Life cycle assessment of end-of-life vehicle recycling processes in China—take Corolla taxis for example［J］. Journal of Cleaner Production， 2016， 117：176-187.

[1]	HAO Han, WANG Si-南, LI Xiao, LIU Zong-Wei, ZHAO Fu-Quan. [J]. , 2017, 39(1): 1 -8 .
[2]	JIANG Ting, DAI Bing. [J]. , 2016, 38(12): 1459 -1466 .
[3]	YU Zhuo-Ping, HAN Wei, XIONG Lu. [J]. , 2017, 39(1): 52 -60 .
[4]	CUI Jun-Jia, YUAN Wei, LI Guang-Yao. [J]. , 2017, 39(1): 113 -120 .
[5]	Chen-Xin, FENG Xiao, SHEN Chuan-Liang, WANG Shuo, HU Cui-Song, LI Yan-Yang, YANG Chang-Hai-　. [J]. , 2017, 39(2): 206 -213 .
[6]	ZHANG Yong, GU Zheng-Qi, LIU Shui-Chang, MI Cheng-Ji. [J]. , 2017, 39(3): 275 -280 .
[7]	LIU Wei-Da, WANG Tie, SHEN Jin-Xian, YI Chen-Yang. [J]. , 2017, 39(3): 323 -327 .
[8]	CHU Liang, LIU Da-Liang, LIU Hong-Wei, CAI Jian-Wei, ZHAO Di. [J]. , 2017, 39(4): 471 -479 .
[9]	ZHANG Peng-Yu, ZHANG Xin-Yu, HE Chao-Yang, LIN Zhi-Qi. [J]. , 2017, 39(5): 491 -496 .
[10]	ZHANG Lan-Chun, ZHAO Qing-Hai, ZHANG Hong-Xin, CHEN Xiao-Kai, ZHANG Tie-Zhu. [J]. , 2017, 39(5): 551 -555 .

参数	数值
车身长度×宽度×高度/m	7.06×2.55×3.98
整车质量/t	9
牵引总质量/t	40
最高车速/（km·h^-1）	110
燃料电池额定功率/kW	162
锂电池容量/（kW·h）	117.1
电动机峰值功率/kW	360
燃料电池寿命/h	30 000
百公里氢能消耗量/（kg·（100 km）^-1）	14.91
低温启动温度/℃	-30

锂电池		车身		底盘		质子交换膜		储氢罐		BOP
材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量
磷酸铁锂	128.70 kg	钢	1 861.08 kg	钢	3 555.36 kg	异丙醇	2.27 kg	碳纤维	410.40 kg	钢	167.67 kg
聚氯乙烯	40.95 kg	铝	21.67 kg	铸铁	272.16 kg	水	2.27 kg	环氧树脂	164.16 kg	锻造铝	9.72 kg
铝基体	239.85 kg	镁	2.71 kg	铝	43.20 kg	电能	3.48 MJ	泡沫	27.36 kg	乙烯	19.44 kg
石墨	58.50 kg	玻璃纤维	178.79 kg	铜	99.36 kg	热能	2.15 MJ	玻璃纤维	27.36 kg	橡胶	7.29 kg
聚丙烯	35.10 kg	塑料	471.37 kg	塑料	142.56 kg	硫酸	1.30 kg	铝基体	6.84 kg	其他	2.43 kg
聚乙烯	70.20 kg	铜	51.47 kg	橡胶	181.44 kg	四氟乙烯	1.73 kg	高强度聚乙烯	47.88 kg	高密度聚乙烯	36.45 kg
其他	11.70 kg	其他	121.91 kg	其他	25.92 kg	聚乙烯	4.15 kg	高强度聚乙烯	47.88 kg	高密度聚乙烯	36.45 kg
催化层		电机和电控		气体扩散层		双极板		端板		冷却垫片
材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量	材料	数量
Pt/C¹	0.23 kg	铜	14.40 kg	石墨	16.82 kg	石墨	163.67 kg	铝	24.68 kg	橡胶	42.59 kg
碳黑	0.35 kg	钢	71.10 kg	碳纤维³	302.70 kg	电能	5 143.82 MJ
电能	3437.08 MJ	钕铁硼²	0.90 kg	电能	1204.06 MJ	醋酸乙烯酯	70.14 kg
水	0.23 kg	铝合金	3.60 kg	聚四氟乙烯⁴	33.63 kg
甲醇	0.23 kg							钢	24.68 kg	电能	5.54 MJ
Nafion DE-521	2.80 kg							钢	24.68 kg	电能	5.54 MJ

路径	ADP（f）/MJ	GWP/kg	AP/kg	EP/kg	POCP/kg	HTP/kg
煤气化+高压气氢	3.31E+02	2.75E+01	1.66E-02	8.26E-04	4.78E-03	8.30E-03
甲烷重整+高压气氢	3.98E+02	2.03E+01	2.46E-02	1.55E-03	4.98E-03	1.20E-02
混合电力电解水+高压气氢	4.09E+02	3.47E+01	7.66E-02	9.75E-03	8.28E-03	3.30E-02
光伏电解水+高压气氢	1.52E+02	3.21E+00	1.26E-02	9.26E-04	4.13E-03	1.00E-04

材料	预处理能耗/（kW·h）	回收效率	废渣处理
钢	4.23	75%	25%
铝	0.80	46%	54%
铁	2.24	80%	20%
铜	9.54	90%	10%
橡胶		37%	63%

部件	原材料获取阶段	制造装配阶段	报废回收阶段	全生命周期
燃料电池堆栈	4.42E-03	1.10E-04
锂电池	2.39E-01	2.03E-04
储氢罐	7.84E-03	1.24E-04
电机和电控	4.77E-02	6.12E-06
BOP	2.32E-02	1.77E-05
车身	1.98E-01	1.18E-04
底盘	3.25E-01	8.43E-05
整车装配		7.93E-04
总计	8.45E-01	1.46E-03	-5.61E-01	2.86E-01

Life Cycle Assessment Research and Uncertainty Analysis of Hydrogen Fuel Cell Heavy-Duty Commercial Vehicles

RichHTML

PDF (PC)

Like

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 26

References 33

Related Articles 8

Metrics

Comments

Recommended 10

不同阶段	煤气化	甲烷重整	混合电力电解水	光伏电解水
原材料获取阶段	7.13E+05	7.13E+05	7.13E+05	7.13E+05
制造装配阶段	2.77E+05	2.77E+05	2.77E+05	2.77E+05
运行使用阶段	1.97E+07	2.37E+07	2.44E+07	9.07E+06
报废回收阶段	-2.06E+05	-2.06E+05	-2.06E+05	-2.06E+05
全生命周期	2.05E+07	2.45E+07	2.52E+07	9.85E+06

不同阶段	煤气化	甲烷重整	混合电力电解水	光伏电解水
原材料获取阶段	6.40E+04	6.40E+04	6.40E+04	6.40E+04
制造装配阶段	2.64E+04	2.64E+04	2.64E+04	2.64E+04
运行使用阶段	1.64E+06	1.21E+06	2.07E+06	1.91E+05
报废回收阶段	-1.91E+04	-1.91E+04	-1.91E+04	-1.91E+04
全生命周期	1.71E+06	1.28E+06	2.14E+06	2.63E+05

污染物排放指标	阶段	煤气化	甲烷重整	混合电力电解水	光伏电解水
AP	I	1.72E+02	1.72E+02	1.72E+02	1.72E+02
	II	5.65E+01	5.65E+01	5.65E+01	5.65E+01
	III	9.90E+02	1.47E+03	4.57E+03	7.51E+02
	IV	-6.21E+01	-6.21E+01	-6.21E+01	-6.21E+01
	总计	1.16E+03	1.63E+03	4.73E+03	9.17E+02
EP	I	1.64E+01	1.64E+01	1.64E+01	1.64E+01
	II	7.53E+00	7.53E+00	7.53E+00	7.53E+00
	III	4.93E+01	9.24E+01	5.81E+02	5.52E+01
	IV	-4.83E+00	-4.83E+00	-4.83E+00	-4.83E+00
	总计	6.84E+01	1.12E+02	6.01E+02	7.43E+01
POCP	I	1.52E+01	1.52E+01	1.52E+01	1.52E+01
	II	3.80E+00	3.80E+00	3.80E+00	3.80E+00
	III	2.85E+02	2.97E+02	4.94E+02	2.46E+02
	IV	-6.61E+00	-6.61E+00	-6.61E+00	-6.61E+00
	总计	2.97E+02	3.09E+02	5.06E+02	2.59E+02
HTP	I	2.45E+04	2.45E+04	2.45E+04	2.45E+04
	II	1.10E+03	1.10E+03	1.10E+03	1.10E+03
	III	4.95E+02	7.16E+02	1.97E+03	5.96E+00
	IV	-3.99E+03	-3.99E+03	-3.99E+03	-3.99E+03
	总计	2.21E+04	2.23E+04	2.36E+04	2.16E+04

制氢路径	质量/t	功能单位	碳排放/kg	文献
甲烷重整	9.0	40万km	1.28E+06	本研究
	7.5	40万km	1.49E+06	［17］
	7.9	40万km	2.92E+06	［19］
光伏电解水	9.0	40万km	2.63E+05	本研究
光伏电解水	7.5	40万km	6.73E+05	［17］
混合电力电解水	9.0	40万km	2.14E+06	本研究
混合电力电解水+ 甲烷重整	12.0	40万km	1.88E+06	［18］
煤气化	9.0	40万km	1.71E+06	本研究
煤气化	7.0	80万km	1.30E+06	［25］

[1]	Lü Hui,Shunjiang Zhong,Zhencong Li,Yisha Cao,Wenbin Shangguan,Kegang Zhao. Reliability Analysis Method Based on Multidimensional Sub-Parallelepiped Model and Its Application [J]. Automotive Engineering, 2023, 45(6): 1090-1098.
[2]	Chenxu Shi,Changqing Du,Chao Wang,Xingyi Li,Jiaming Zhang. Control of Gas Supply System of High Power Fuel Cell Engine for Vehicle [J]. Automotive Engineering, 2023, 45(11): 2148-2156.
[3]	Hang Li,Zunyan Hu,Jiayi Hu,Jiachen Dong,Jianqiu Li,Liangfei Xu,Ouyang Minggao,Yu Bu,Lijun Wang,Zhidong Qin. Design, Analysis and Validation of Novel Distributed Drive Liquid Hydrogen Fuel Cell Heavy Commercial Vehicles [J]. Automotive Engineering, 2022, 44(8): 1183-1198.
[4]	Lijun Zhang,Ze Gao,Haiyan Yu. Selection of Body-in-White Material Based on Life Cycle Assessment [J]. Automotive Engineering, 2022, 44(6): 945-952.
[5]	Tong Wang,Yiqun Du,Yisong Chen,Rimei Han. Life Cycle Assessment of City Bus Body Based on Structural Lightweighting [J]. Automotive Engineering, 2022, 44(5): 778-788.
[6]	Shichuang Liu,Huanwu Sun,Ruixin Wang,Hao Li,Dongguang Zhang. Matching Design of Power System for High Power Hydrogen Fuel Cell Heavy⁃duty Truck [J]. Automotive Engineering, 2021, 43(2): 196-203.
[7]	Ruiliang Zhang,Zhun Chen,Senhai Liu,Zhengwu Fan. Adaptive Energy Management Strategy for High Power Hydrogen Fuel Cell Heavy-duty Truck Based on Low Pass Filter [J]. Automotive Engineering, 2021, 43(11): 1693-1701.
[8]	Lü Hui, Yang Kun, Yin Hui, Shangguan Wenbin, Yu Dejie. Inherent Characteristic Analysis of Powertrain Mounting SystemBased on Multidimensional Parallelepiped Model [J]. Automotive Engineering, 2020, 42(4): 498-504.