8月10日，工業(yè)和信息化部在對全國人大四次會議第5736號建議的答復中表示，下一步，工信部將積極配合制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫氣內燃機納入其中予以支持。 氫氣內燃機引起了市場關注。氫氣內燃機是否就是氫燃料電池系統(tǒng)？二者的區(qū)別是什么？我們做個基本的梳理。

1

氫燃料電池和氫氣發(fā)動機的工作原理及其發(fā)展

如圖1所示，氫燃料電池是一種不經過燃燒直接通過化學反應將燃料的化學能轉換為電能的先進高效的能量轉換設備。氫氣發(fā)動機的原理與燃油內燃機相同，是一種通過燃燒釋放反應氣體的化學能，通過氣體膨脹做功的動力設備。氫氣發(fā)動機的能量轉換效率受卡諾循環(huán)的限制，燃料利用率一般不可能超過氫燃料電池。

圖1 燃料電池（左）發(fā)動機（右）的基本工作原理

早在1852年，慕尼黑的宮廷鐘表匠便制成了世界上第一臺氫內燃機。 1972年，德國大眾汽車公司研制的氫內燃機汽車在美國舉行的城市交通工具對大氣污染最小的比賽中獲得第一名。 1974 年，日本武藏工業(yè)大學和尼桑公司合作采用液態(tài)儲氫、缸內高壓噴射、進氣道低壓噴射技術，研制出“武藏 1 號”氫內燃機汽車，并在每屆世界氫能大會上展示對氫內燃機汽車最新研究成果。 1979 年，寶馬汽車集團研制的第一輛氫內燃機汽車實現上路，并在后續(xù)時間里陸續(xù)推出多個系列的氫內燃機汽車。2001 年，寶馬集團的 BMW 745h 車型在德國法蘭克福車展中亮相；2004 年，以寶馬 760i 6．0L V12 汽油發(fā)動機為基礎改造而成的寶馬 H2R 氫內燃機汽車，完成了在法國高速試車場的測試，該車創(chuàng)造出的速度記錄高達 9項，充分展現出氫內燃機汽車具有的巨大潛力。2007年，寶馬發(fā)布了世界首款氫動力汽車“氫能7系”。

 2004 年，美國福特公司開發(fā)的混合動力汽車搭載了氫內燃機作為動力源；2006 年，將研發(fā)的氫內燃機 V－10 發(fā)動機投入生產；并在 2007年開發(fā)出氫內燃機公交車。 2007 年，我國長安汽車集團與北京理工大學合作研究氫內燃機汽車，開發(fā)出的 PFI氫內燃機汽車滿足道路的行駛要求，截止到 2013 年，研制的樣車穩(wěn)定運行距離超過10000 公里。 2021年5月12日，在中國品牌博覽會上中國一汽紅旗的氫氣發(fā)動機成為重點關注對象之一。

圖3． 一汽紅旗

在品牌博覽會上展出的氫氣發(fā)動機 氫燃料電池技術的誕生時間還要早于氫發(fā)動機。早在 1839 年英國 William Robert Grove 便率先提出燃料電池基本原理。 在 20 世紀 50 年代 Bacon 作為先驅者開始對燃料電池做基礎研究工作，隨著美國太空計劃采用了燃料電池為其能源供應系統(tǒng)，燃料電池逐漸受到重視，并取得了蓬勃的進展。 在軍用領域，氫燃料電池已經成功的應用在軍用潛艇上。

潛艇因具有隱蔽性好、對敵威懾力大等優(yōu)點，國防軍工對其的發(fā)展尤為重視。氫燃料電池獨具的工作溫度低、無噪音以及續(xù)航能力強等突出優(yōu)點，正好滿足了軍用作戰(zhàn)潛艇的隱蔽性和續(xù)航能力要求。德國霍瓦茲公司研發(fā)的 212A 型和 214 型燃料電池潛艇是目前燃料電池技術在潛艇成功應用的最高水平。

 在民用領域，美國的哈里·卡爾·伊里格將農具制造商 Allis－Chalmers 的拖拉機改造成為電機驅動，而動力則來自燃料電池，輸出功率達到 15 千瓦。這臺拖拉機也成為了世界上第一臺燃料電池驅動的載具。在美國空軍的協助下，Alice – chalmers 又繼續(xù)了數年燃料電池方面的研究。

他們組裝了一輛燃料電池驅動的叉車和一輛高爾夫球車。直到 1966 年，通用研發(fā)出了第一臺真正意義上的燃料電池車。以 GMC Handivan 為基礎，將所有的燃料電池部件和儲氫罐裝在面包車的后部，本來六人的后排空間，改造后只能容下兩人。它的行駛里程也只是 120 英里。

圖4．世界上第一臺燃料電池拖拉機

我國的燃料電池車用研究應該于1999年開始在清華大學開展。2001年，清華大學用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年，國家科技部立項開展燃料電池客車和燃料電池轎車計劃，清華大學被確定為燃料電池客車的牽頭單位，同濟大學負責牽頭做燃料電池轎車。2008年，清華大學在北京奧運會期間投入了三輛燃料電池公交車此后，清華大學又為2010年上海世博會提供三輛公交車。

目前，很多省市都有氫燃料電池公交的試運營線路。 2008 年 6 月16 日，本田公司正式推出新一代氫氧燃料電池汽車“FCX Clarity”。

盡管目前本田已經宣布停產該車型，但該公司在最近的股東大會上表明將繼續(xù)研發(fā)氫燃料電池新型產品，并于2023年投入市場。 2014年 11 月 19 號，豐田公司發(fā)布了全新氫燃料電池汽車“Mirai”，中文譯作“未來”，真正實現燃料電池汽車規(guī)�；�量產；2020年12月9號，豐田公司繼續(xù)推出了第二代“Mirai”，大大提升了續(xù)航里程和功率密度，給燃料電池汽車的發(fā)展帶來了強勁的動力。 

綜上所述，氫燃料電池與氫發(fā)動機并不是新興技術，近兩個世紀以來，一直都有人從事相關方面的研究，只不過時代和市場決定了哪些技術大放光彩。

當然，也是該技術符合那個時代，憑借在那個時代具有的顯著優(yōu)點才能獲得時代和市場的青睞。如電動汽車和燃油車本就是20世紀同臺競爭的技術，只不過燃油車憑借運行里程長、燃料重新加注時間短等顯著優(yōu)點PK掉了電動汽車。

電動汽車在節(jié)能減排的時代主旋律的政策加持下近十年來又開始重新進入市場。然而電動汽車只是一個高效使用電能的工具，僅依靠它不可能完成低碳甚至無碳社會的構建。甚至如果考慮一些專家詬病電動汽車的碳轉移問題，其到底能不能減排還有待商榷。真正碳中和的社會需要新能源去構建，國家制定的能源長遠發(fā)展戰(zhàn)略是構建一個基于可再生能源發(fā)電的氫能社會，從而真正實現無碳社會的轉型。氫燃料電池和氫氣發(fā)動機作為其中的一個應用場景便逐漸凸顯至重要的位置。

2

氫燃料電池和氫氣發(fā)動機的優(yōu)缺點比較

如果不考慮化石燃料枯竭（能源安全）和環(huán)境污染的問題，沒有必要淘汰燃油動力設備，故而氫燃料電池和氫氣發(fā)動機最大的優(yōu)點就是環(huán)保和燃料來源的可發(fā)展性。 氫氣發(fā)動機由于與燃油發(fā)動機結構上的相似，在車用上的研究似乎還要早于氫氣發(fā)動機，然而為何卻遲遲未能進入市場？首先主要是氫能配套設施不完善（加氫不方便和氫氣價格過高）。

然而現如今國家大力發(fā)展氫能的時代背景下，這將不再成為限制條件。 氫氣發(fā)動機可充分利用現有的內燃機產業(yè)基礎，但由于氫氣獨特的物理化學性質產生的燃燒特性，氫氣發(fā)動機的技術難度比傳統(tǒng)燃油機大！針對傳統(tǒng)燃油機使用在氫氣領域，需克服的技術難點主要表現在早燃、爆燃和回火三個方面，如表1所示。盡管已經有部分國內企業(yè)和高校已經取得一些研究成果，但總體上相關技術還處于研發(fā)階段。而氫燃料電池目前在車上使用的相關技術已逐漸成熟，主要是其配套的產業(yè)基礎尚處于薄弱階段。

表1． 氫氣發(fā)動機的技術難點 來源：楊敏敏， 氫內燃機燃燒早燃回火問題 

氫氣的密度非常低，以氣體存在的條件下需要的空間非常大。根據研究，在以同等條件進入氣缸時，氫氣所占氣缸氣體約是汽油的15～30倍，故而將導致效率下降。另外，氫氣發(fā)動機的燃料利用率不高，通俗說就是氫氣不耐燒，當時2007年寶馬推出的氫能7系氫氣發(fā)動機汽車的氫耗為3．7kg／百公里，而燃料電池乘用車通常是1～1．5kg／百公里。豐田最新推出的第二代Mirai總加氫量為5．6kg，續(xù)航為650公里，折合不到1kg／百公里。另外，空氣中的氮氣在高溫高壓的工作環(huán)境下會生成氮氧化合物污染環(huán)境，無法達到氫燃料電池的100％環(huán)保。最后，氫氣會導致金屬發(fā)生氫脆現象，影響發(fā)動機的安全性能。

圖5． 豐田第二代Mirai

相比于氫燃料電池，氫氣發(fā)動機最大的優(yōu)勢在于成本。目前，100kW的氫燃料電池電堆大約需要50萬元（原型機）。盡管雄韜給出了震驚業(yè)內的最低價，當訂單量在10000臺以上時，只需要1199元／kW，此時電堆成本大約需要12萬元。目前國產柴油機100kW的售價約在6萬元，氫氣發(fā)動機的成本貴15％左右，約為6．9萬元。