8月10日，工業(yè)和信息化部在對(duì)全國(guó)人大四次會(huì)議第5736號(hào)建議的答復(fù)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(dòng)將氫氣內(nèi)燃機(jī)納入其中予以支持。 氫氣內(nèi)燃機(jī)引起了市場(chǎng)關(guān)注。氫氣內(nèi)燃機(jī)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(gè)基本的梳理。

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氫燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(jīng)過(guò)燃燒直接通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的先進(jìn)高效的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理與燃油內(nèi)燃機(jī)相同，是一種通過(guò)燃燒釋放反應(yīng)氣體的化學(xué)能，通過(guò)氣體膨脹做功的動(dòng)力設(shè)備。氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受卡諾循環(huán)的限制，燃料利用率一般不可能超過(guò)氫燃料電池。

圖1 燃料電池（左）發(fā)動(dòng)機(jī)（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(tái)氫內(nèi)燃機(jī)。 1972年，德國(guó)大眾汽車(chē)公司研制的氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在美國(guó)舉行的城市交通工具對(duì)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(xué)和尼桑公司合作采用液態(tài)儲(chǔ)氫、缸內(nèi)高壓噴射、進(jìn)氣道低壓噴射技術(shù)，研制出“武藏 1 號(hào)”氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，并在每屆世界氫能大會(huì)上展示對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最新研究成果。 1979 年，寶馬汽車(chē)集團(tuán)研制的第一輛氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)上路，并在后續(xù)時(shí)間里陸續(xù)推出多個(gè)系列的氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。2001 年，寶馬集團(tuán)的 BMW 745h 車(chē)型在德國(guó)法蘭克福車(chē)展中亮相；2004 年，以寶馬 760i 6．0L V12 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)改造而成的寶馬 H2R 氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，完成了在法國(guó)高速試車(chē)場(chǎng)的測(cè)試，該車(chē)創(chuàng)造出的速度記錄高達(dá) 9項(xiàng)，充分展現(xiàn)出氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)具有的巨大潛力。2007年，寶馬發(fā)布了世界首款氫動(dòng)力汽車(chē)“氫能7系”。

 2004 年，美國(guó)福特公司開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力汽車(chē)搭載了氫內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源；2006 年，將研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī) V－10 發(fā)動(dòng)機(jī)投入生產(chǎn)；并在 2007年開(kāi)發(fā)出氫內(nèi)燃機(jī)公交車(chē)。 2007 年，我國(guó)長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)與北京理工大學(xué)合作研究氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，開(kāi)發(fā)出的 PFI氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)滿(mǎn)足道路的行駛要求，截止到 2013 年，研制的樣車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行距離超過(guò)10000 公里。 2021年5月12日，在中國(guó)品牌博覽會(huì)上中國(guó)一汽紅旗的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)成為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象之一。

圖3． 一汽紅旗

在品牌博覽會(huì)上展出的氫氣發(fā)動(dòng)機(jī) 氫燃料電池技術(shù)的誕生時(shí)間還要早于氫發(fā)動(dòng)機(jī)。早在 1839 年英國(guó) William Robert Grove 便率先提出燃料電池基本原理。 在 20 世紀(jì) 50 年代 Bacon 作為先驅(qū)者開(kāi)始對(duì)燃料電池做基礎(chǔ)研究工作，隨著美國(guó)太空計(jì)劃采用了燃料電池為其能源供應(yīng)系統(tǒng)，燃料電池逐漸受到重視，并取得了蓬勃的進(jìn)展。 在軍用領(lǐng)域，氫燃料電池已經(jīng)成功的應(yīng)用在軍用潛艇上。

潛艇因具有隱蔽性好、對(duì)敵威懾力大等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)防軍工對(duì)其的發(fā)展尤為重視。氫燃料電池獨(dú)具的工作溫度低、無(wú)噪音以及續(xù)航能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，正好滿(mǎn)足了軍用作戰(zhàn)潛艇的隱蔽性和續(xù)航能力要求。德國(guó)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(shù)在潛艇成功應(yīng)用的最高水平。

 在民用領(lǐng)域，美國(guó)的哈里·卡爾·伊里格將農(nóng)具制造商 Allis－Chalmers 的拖拉機(jī)改造成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而動(dòng)力則來(lái)自燃料電池，輸出功率達(dá)到 15 千瓦。這臺(tái)拖拉機(jī)也成為了世界上第一臺(tái)燃料電池驅(qū)動(dòng)的載具。在美國(guó)空軍的協(xié)助下，Alice – chalmers 又繼續(xù)了數(shù)年燃料電池方面的研究。

他們組裝了一輛燃料電池驅(qū)動(dòng)的叉車(chē)和一輛高爾夫球車(chē)。直到 1966 年，通用研發(fā)出了第一臺(tái)真正意義上的燃料電池車(chē)。以 GMC Handivan 為基礎(chǔ)，將所有的燃料電池部件和儲(chǔ)氫罐裝在面包車(chē)的后部，本來(lái)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(tái)燃料電池拖拉機(jī)

我國(guó)的燃料電池車(chē)用研究應(yīng)該于1999年開(kāi)始在清華大學(xué)開(kāi)展。2001年，清華大學(xué)用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車(chē)。2001年，國(guó)家科技部立項(xiàng)開(kāi)展燃料電池客車(chē)和燃料電池轎車(chē)計(jì)劃，清華大學(xué)被確定為燃料電池客車(chē)的牽頭單位，同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)牽頭做燃料電池轎車(chē)。2008年，清華大學(xué)在北京奧運(yùn)會(huì)期間投入了三輛燃料電池公交車(chē)此后，清華大學(xué)又為2010年上海世博會(huì)提供三輛公交車(chē)。

目前，很多省市都有氫燃料電池公交的試運(yùn)營(yíng)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(chē)“FCX Clarity”。

盡管目前本田已經(jīng)宣布停產(chǎn)該車(chē)型，但該公司在最近的股東大會(huì)上表明將繼續(xù)研發(fā)氫燃料電池新型產(chǎn)品，并于2023年投入市場(chǎng)。 2014年 11 月 19 號(hào)，豐田公司發(fā)布了全新氫燃料電池汽車(chē)“Mirai”，中文譯作“未來(lái)”，真正實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)規(guī)�；�量產(chǎn)；2020年12月9號(hào)，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(chē)的發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁的動(dòng)力。 

綜上所述，氫燃料電池與氫發(fā)動(dòng)機(jī)并不是新興技術(shù)，近兩個(gè)世紀(jì)以來(lái)，一直都有人從事相關(guān)方面的研究，只不過(guò)時(shí)代和市場(chǎng)決定了哪些技術(shù)大放光彩。

當(dāng)然，也是該技術(shù)符合那個(gè)時(shí)代，憑借在那個(gè)時(shí)代具有的顯著優(yōu)點(diǎn)才能獲得時(shí)代和市場(chǎng)的青睞。如電動(dòng)汽車(chē)和燃油車(chē)本就是20世紀(jì)同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，只不過(guò)燃油車(chē)憑借運(yùn)行里程長(zhǎng)、燃料重新加注時(shí)間短等顯著優(yōu)點(diǎn)PK掉了電動(dòng)汽車(chē)。

電動(dòng)汽車(chē)在節(jié)能減排的時(shí)代主旋律的政策加持下近十年來(lái)又開(kāi)始重新進(jìn)入市場(chǎng)。然而電動(dòng)汽車(chē)只是一個(gè)高效使用電能的工具，僅依靠它不可能完成低碳甚至無(wú)碳社會(huì)的構(gòu)建。甚至如果考慮一些專(zhuān)家詬病電動(dòng)汽車(chē)的碳轉(zhuǎn)移問(wèn)題，其到底能不能減排還有待商榷。真正碳中和的社會(huì)需要新能源去構(gòu)建，國(guó)家制定的能源長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略是構(gòu)建一個(gè)基于可再生能源發(fā)電的氫能社會(huì)，從而真正實(shí)現(xiàn)無(wú)碳社會(huì)的轉(zhuǎn)型。氫燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為其中的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景便逐漸凸顯至重要的位置。

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氫燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)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(wèn)題，沒(méi)有必要淘汰燃油動(dòng)力設(shè)備，故而氫燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是環(huán)保和燃料來(lái)源的可發(fā)展性。 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的相似，在車(chē)用上的研究似乎還要早于氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，然而為何卻遲遲未能進(jìn)入市場(chǎng)？首先主要是氫能配套設(shè)施不完善（加氫不方便和氫氣價(jià)格過(guò)高）。

然而現(xiàn)如今國(guó)家大力發(fā)展氫能的時(shí)代背景下，這將不再成為限制條件。 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)可充分利用現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，但由于氫氣獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的燃燒特性，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難度比傳統(tǒng)燃油機(jī)大！針對(duì)傳統(tǒng)燃油機(jī)使用在氫氣領(lǐng)域，需克服的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在早燃、爆燃和回火三個(gè)方面，如表1所示。盡管已經(jīng)有部分國(guó)內(nèi)企業(yè)和高校已經(jīng)取得一些研究成果，但總體上相關(guān)技術(shù)還處于研發(fā)階段。而氫燃料電池目前在車(chē)上使用的相關(guān)技術(shù)已逐漸成熟，主要是其配套的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)尚處于薄弱階段。

表1． 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn) 來(lái)源：楊敏敏， 氫內(nèi)燃機(jī)燃燒早燃回火問(wèn)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(jù)研究，在以同等條件進(jìn)入氣缸時(shí)，氫氣所占?xì)飧讱怏w約是汽油的15～30倍，故而將導(dǎo)致效率下降。另外，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料利用率不高，通俗說(shuō)就是氫氣不耐燒，當(dāng)時(shí)2007年寶馬推出的氫能7系氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的氫耗為3．7kg／百公里，而燃料電池乘用車(chē)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?dú)庠诟邷馗邏旱墓ぷ鳝h(huán)境下會(huì)生成氮氧化合物污染環(huán)境，無(wú)法達(dá)到氫燃料電池的100％環(huán)保。最后，氫氣會(huì)導(dǎo)致金屬發(fā)生氫脆現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于成本。目前，100kW的氫燃料電池電堆大約需要50萬(wàn)元（原型機(jī)）。盡管雄韜給出了震驚業(yè)內(nèi)的最低價(jià)，當(dāng)訂單量在10000臺(tái)以上時(shí)，只需要1199元／kW，此時(shí)電堆成本大約需要12萬(wàn)元。目前國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)100kW的售價(jià)約在6萬(wàn)元，氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的成本貴15％左右，約為6．9萬(wàn)元。