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(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？我們做個基本的梳理。

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氫燃料電池和氫氣發(fā)動機(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)過燃燒直接通過化學(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)動機(jī)的原理與燃油內(nèi)燃機(jī)相同，是一種通過燃燒釋放反應(yīng)氣體的化學(xué)能，通過氣體膨脹做功的動力設(shè)備。氫氣發(fā)動機(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氫燃料電池。

圖1 燃料電池（左）發(fā)動機(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氫內(nèi)燃機(jī)。 1972年，德國大眾汽車公司研制的氫內(nèi)燃機(jī)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(xué)和尼桑公司合作采用液態(tài)儲氫、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”氫內(nèi)燃機(jī)汽車，并在每屆世界氫能大會上展示對氫內(nèi)燃機(jī)汽車最新研究成果。 1979 年，寶馬汽車集團(tuán)研制的第一輛氫內(nèi)燃機(jī)汽車實(shí)現(xiàn)上路，并在后續(xù)時間里陸續(xù)推出多個系列的氫內(nèi)燃機(jī)汽車。2001 年，寶馬集團(tuán)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(jī)為基礎(chǔ)改造而成的寶馬 H2R 氫內(nèi)燃機(jī)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(dá) 9項(xiàng)，充分展現(xiàn)出氫內(nèi)燃機(jī)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(nèi)燃機(jī)作為動力源；2006 年，將研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī) V－10 發(fā)動機(jī)投入生產(chǎn)；并在 2007年開發(fā)出氫內(nèi)燃機(jī)公交車。 2007 年，我國長安汽車集團(tuán)與北京理工大學(xué)合作研究氫內(nèi)燃機(jī)汽車，開發(fā)出的 PFI氫內(nèi)燃機(jī)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(yùn)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(jī)成為重點(diǎn)關(guān)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(jī) 氫燃料電池技術(shù)的誕生時間還要早于氫發(fā)動機(jī)。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(jì) 50 年代 Bacon 作為先驅(qū)者開始對燃料電池做基礎(chǔ)研究工作，隨著美國太空計(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、對敵威懾力大等優(yōu)點(diǎn)，國防軍工對其的發(fā)展尤為重視。氫燃料電池獨(dú)具的工作溫度低、無噪音以及續(xù)航能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，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(shù)在潛艇成功應(yīng)用的最高水平。

 在民用領(lǐng)域，美國的哈里·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，而動力則來自燃料電池，輸出功率達(dá)到 15 千瓦。這臺拖拉機(jī)也成為了世界上第一臺燃料電池驅(qū)動的載具。在美國空軍的協(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(chǔ)，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(jī)

我國的燃料電池車用研究應(yīng)該于1999年開始在清華大學(xué)開展。2001年，清華大學(xué)用15千瓦電堆裝配了一輛中巴車。2001年，國家科技部立項(xiàng)開展燃料電池客車和燃料電池轎車計(jì)劃，清華大學(xué)被確定為燃料電池客車的牽頭單位，同濟(jì)大學(xué)負(fù)責(zé)牽頭做燃料電池轎車。2008年，清華大學(xué)在北京奧運(yùn)會期間投入了三輛燃料電池公交車此后，清華大學(xué)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(yùn)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(jīng)宣布停產(chǎn)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)燃料電池汽車規(guī)�；�量產(chǎn)；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(qiáng)勁的動力。 

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

當(dāng)然，也是該技術(shù)符合那個時代，憑借在那個時代具有的顯著優(yōu)點(diǎn)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(jì)同臺競爭的技術(shù)，只不過燃油車憑借運(yùn)行里程長、燃料重新加注時間短等顯著優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(gòu)建。甚至如果考慮一些專家詬病電動汽車的碳轉(zhuǎn)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(gòu)建，國家制定的能源長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略是構(gòu)建一個基于可再生能源發(fā)電的氫能社會，從而真正實(shí)現(xiàn)無碳社會的轉(zhuǎn)型。氫燃料電池和氫氣發(fā)動機(jī)作為其中的一個應(yīng)用場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)境污染的問題，沒有必要淘汰燃油動力設(shè)備，故而氫燃料電池和氫氣發(fā)動機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是環(huán)保和燃料來源的可發(fā)展性。 氫氣發(fā)動機(jī)由于與燃油發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)上的相似，在車用上的研究似乎還要早于氫氣發(fā)動機(jī)，然而為何卻遲遲未能進(jìn)入市場？首先主要是氫能配套設(shè)施不完善（加氫不方便和氫氣價格過高）。

然而現(xiàn)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(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)動機(jī)的技術(shù)難度比傳統(tǒng)燃油機(jī)大！針對傳統(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、爆燃和回火三個方面，如表1所示。盡管已經(jīng)有部分國內(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)動機(jī)的技術(shù)難點(diǎn) 來源：楊敏敏， 氫內(nèi)燃機(jī)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(jù)研究，在以同等條件進(jìn)入氣缸時，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)動機(jī)的燃料利用率不高，通俗說就是氫氣不耐燒，當(dāng)時2007年寶馬推出的氫能7系氫氣發(fā)動機(jī)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?dú)庠诟邷馗邏旱墓ぷ鳝h(huán)境下會生成氮氧化合物污染環(huán)境，無法達(dá)到氫燃料電池的100％環(huán)保。最后，氫氣會導(dǎo)致金屬發(fā)生氫脆現(xiàn)象，影響發(fā)動機(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)動機(jī)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(jī)）。盡管雄韜給出了震驚業(yè)內(nèi)的最低價，當(dāng)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(chǎn)柴油機(jī)100kW的售價約在6萬元，氫氣發(fā)動機(jī)的成本貴15％左右，約為6．9萬元。