豐田改戲直接燒氫

9月有媒體報導(dǎo)，豐田燃氫引擎將開始量產(chǎn)，將在明年年底前發(fā)布兩款2023氫動力汽車—新版普銳斯（Prius）和卡羅拉（Corolla），使用氫氣為引擎直接提供動力。

媒體關(guān)注到：該公司已經(jīng)發(fā)布了兩代Mirai氫動力燃料電池汽車（FCEV）。此外，該公司還制定了氫動力重型卡車的計劃，公司最近宣布將在肯塔基州的一家工廠組裝重卡燃料電池。

普銳斯是全球第一款大規(guī)模生產(chǎn)的混合動力汽車，1997年開始上市，整個產(chǎn)品系列包括混合動力和插電式混合動力車型，第五代普銳斯將納入氫燃料車型，氫動力與插電式混合動力結(jié)合，是前所未有的動力組合。預(yù)計明年推出的CorollaSportsGR，裝備257馬力的1．6升三缸汽油發(fā)動機，它的氫動力版本將于2023年上市。

外媒分析：雖然皆是以氫氣作為能源供應(yīng)，ToyotaMirai是以氫燃料作為電池電力的補充，架構(gòu)上屬于電動車；而Prius氫電版則是保留了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，只是燃料由汽油改為氫氣，電池組與電機的部分則沒有變動。這套氫電動力系統(tǒng)在2020年6月安裝在Corolla車款上并參加24小時耐久比賽，說明這套系統(tǒng)確實有量產(chǎn)使用的潛力。

豐田新的氫電系統(tǒng)，采用ToyotaGRYaris搭載的1．6L三缸渦輪增壓發(fā)動機進行改裝，將燃料由汽油改為高壓氫，由四組碳纖維高壓氫罐供氣。

今年3月，長城氫檸計劃，它包含100多項企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，500多項硬件需求，5000多項軟件需求，數(shù)千個檢測項目，實現(xiàn)了“電堆及核心組件、燃料電池發(fā)動機及組件、Ⅳ型儲氫瓶、高壓儲氫閥門、氫安全、液氫工藝”六大核心技術(shù)和產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)完全自主化。6月17日，長城汽車蜂巢動力第1000萬臺發(fā)動機下線，在下線儀上，蜂巢動力還展示了未來的產(chǎn)品規(guī)劃，其中包括6款全新發(fā)動機：1．5L第五代DHT發(fā)動機、2．0L第五代發(fā)動機、2．0T稀燃預(yù)燃室發(fā)動機、合成燃料專用發(fā)動機、氫氣發(fā)動機。

據(jù)報道，長城研發(fā)的氫氣發(fā)動機能輸出最大功率120kW，峰值扭矩230N·m，并且搭載氫氣專用直噴系統(tǒng)、高壓耐腐蝕氫氣供給系統(tǒng)等多項新技術(shù)，發(fā)動機的熱效率達到42％＋。

9月9日，廣汽研究院自主研發(fā)氫發(fā)動機成功點火。

長安汽車也有研發(fā)氫發(fā)動機的報道。

燃料電池汽車進退兩難

另外一組報道是“壞消息”。由于銷售低迷，8月本田汽車宣布終止氫燃料電池汽車ClarityFuelCell的生產(chǎn)，包括氫燃料電池版和插混版。本田被質(zhì)疑放棄氫燃料電池汽車路線，本田汽車回應(yīng)說因疫情、芯片短缺等因素影響，不得不縮減開支決定停產(chǎn)銷量不佳的小眾車型，今后將繼續(xù)探索氫燃料電池汽車技術(shù)。

本田從1999年就開始燃料電池汽車的研發(fā)，并堅持每年推出一款新的燃料電池汽車，到2003年推出FCX－V4之時，技術(shù)參數(shù)已經(jīng)與現(xiàn)在的燃料電池汽車已經(jīng)非常接近。但是2003年后本田沒有對FCX－V4更新，到2007年才推出了Clarity，但本田再次“斷更”，直到2016年才重新推出了第二代氫燃料電池汽車ClarityFuelCell。ClarityFuelCell累計銷售1900多輛，平均年銷量不足400輛，2020年全球銷量僅240輛。

2021年年初，《日本經(jīng)濟新聞》報道，日產(chǎn)汽車宣布暫停與戴姆勒及福特合作開發(fā)燃料電池汽車的計劃，集中精力發(fā)展電動汽車。奔馳宣布停產(chǎn)2016年6月推出的、目前唯一的燃料電池乘用車GLCF－Cell，將業(yè)務(wù)重點轉(zhuǎn)向電動汽車領(lǐng)域，在氫燃料電池方面轉(zhuǎn)向了重卡，并于2020年9月在全球首發(fā)了其梅賽德斯－奔馳GenH2氫燃料電池概念卡車。

2018年報道，日產(chǎn)－雷諾－三菱聯(lián)盟宣布由于燃料電池汽車開發(fā)耗資巨大，難以同時開發(fā)多項技術(shù)，所以“凍結(jié)”2013年與戴姆勒、福特簽署的燃料電池車、商用化計劃，并經(jīng)營資源集中于純電動汽車的研發(fā)。

通用汽車公司今年早些時候表示，盡管它已承諾將燃料電池用于商業(yè)和軍事用途，但它也將放棄在乘用車中使用氫燃料電池。

有的報導(dǎo)指出：氫燃料電池車相對售價較高，成本較高，進而導(dǎo)致其相對小眾；加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施還尚不完善，普及率不高，加氫的價格并不低；氫燃料電池產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈體系尚不完善。

現(xiàn)代汽車是發(fā)展氫燃料電池決心最堅定的，但是現(xiàn)代汽車也明白近期難以取得商業(yè)化突破，因而提出：到2030年，現(xiàn)代汽車集團以實現(xiàn)氫燃料電池車（FCEV）的價格與純電動汽車（BEV）相當(dāng)為目標(biāo)，確保擁有價格競爭力。現(xiàn)代汽車將燃料電池項目的重點轉(zhuǎn)向商用車，宣布將在2028年率先成為全球首個旗下所有商用車型均搭載氫燃料電池系統(tǒng)的汽車制造廠商。在歐洲，現(xiàn)代已經(jīng)在部分國家投放了氫燃料版本的Xcient卡車。

《世界報》經(jīng)濟專欄作家菲利普·埃斯康德表示，目前，氫燃料電池汽車的生產(chǎn)成本遠高于純電動新能源汽車。因此，氫能源技術(shù)至少需要10年時間才能成熟起來，這對參與企業(yè)來說還是存在風(fēng)險的。另外，法德等歐盟國家仍未制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也將進一步放緩相關(guān)項目的推進。

近日，媒體報道，奔馳GenH2氫燃料電池重卡完成初期測試。據(jù)奔馳的解釋，Gen代表Generation，意為時代，而H2則代表著氫氣。這款卡車續(xù)航里程將超過1000公里，車輛總重為40噸，有效載荷能力為25噸。根據(jù)官方消息稱，GenH2計劃2023年開始客戶試用，2025年后投產(chǎn)。

戴姆勒認為，使用氫作為燃料是未來卡車運輸?shù)谋厝恢�路。借助燃料電池將氫燃料轉(zhuǎn)換為電能，比起采用電池儲能的方式來說，自重更低，續(xù)航里程更長，更加適合未來的長途運輸。

戴姆勒認為，電池卡車和氫燃料卡車并非互相取代的關(guān)系。電池卡車更加靈活，更適合城市使用，而氫燃料卡車則更加適合點對點的干線運輸。

由于商用車大多載貨量大、行駛距離遠且使用頻率高，目前受限于充電時長和續(xù)航里程的純電動車很難滿足商用車的使用需求。同時，此前在商用車領(lǐng)域占據(jù)相當(dāng)?shù)匚坏牟裼蛙嚽鍧嵓夹g(shù)已經(jīng)“見頂”，無法滿足更高要求的排放標(biāo)準(zhǔn)和電動化趨勢。因此，氫能源目前被認為更適合應(yīng)用于商用車領(lǐng)域。

氫內(nèi)燃機是可選方案

氫內(nèi)燃機也不是新鮮事務(wù)。寶馬公司是氫燃料內(nèi)燃機硏發(fā)的先行者，1979年，寶馬汽車研制的第一輛氫內(nèi)燃機汽車已經(jīng)行駛在路上。從柴油機／內(nèi)燃機的改造開始，到現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了6代氫燃料內(nèi)燃機轎車。

2004年，以寶馬760i的6．0LV12汽油發(fā)動機為基礎(chǔ)改造而成的H2R氫內(nèi)燃機汽車，完成了高速試車場的測試，創(chuàng)造出9項速度記錄，充分展現(xiàn)出氫內(nèi)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”。

差不多同時，2006年，福特的V－10氫內(nèi)燃機投入生產(chǎn)，2007年開發(fā)出氫內(nèi)燃機公交車。福特公司宣稱，氫氣能夠?qū)��?nèi)燃機效率高25％～30％，而這一效率已和氫燃料電池大致一樣。

2007年，長安汽車與北京理工大學(xué)合作研究出PFI氫內(nèi)燃機汽車。

2021年5月12日，在中國品牌博覽會上，一汽紅旗展出了氫氣發(fā)動機車型。

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。國產(chǎn)100kW柴油機的售價約在6萬元，氫氣發(fā)動機的成本貴15％左右，約為6．9萬元。

康明斯發(fā)動機事業(yè)部總裁潘澍康表示：“氫燃料發(fā)動機在減少排放，提升動力及其它性能表現(xiàn)方面擁有巨大的潛力，康明斯正在利用最新的技術(shù)，通過全新的發(fā)動機平臺，提高產(chǎn)品的功率密度，減少摩擦阻力，并提高熱效率，從而有效避免將柴油或天然氣發(fā)動機的燃料轉(zhuǎn)換為氫燃料的過程中，出現(xiàn)性能受限和效率損耗。目前，我們已取得重大技術(shù)突破并將繼續(xù)推動研發(fā)進展，我們對這一創(chuàng)新動力解決方案的市場前景非常樂觀�！�

康明斯把氫燃料發(fā)動機定位為作為氫燃料電池，電動電池及可再生天然氣動力鏈的補充技術(shù)選擇。

氫燃料內(nèi)燃機具有多種燃料適應(yīng)性，不僅可以使用純氫為燃料，也可以使用氫與天然氣、氫與其它燃料的混合燃料，是當(dāng)前降低對石油依賴的重要途徑。氫燃料內(nèi)燃機沒有溫室氣體二氧化碳排放，沒有CO、HC和碳煙排放，還具有較好的燃料經(jīng)濟性。

2004年5月，美國能源部啟動“先進車輛測試行動（AVTA）”項目，對氫燃料內(nèi)燃機進行了全面的評估，指出“氫燃料內(nèi)燃機既可以燃用純氫也可以燃用傳統(tǒng)的石化燃料，具有很好的燃料適應(yīng)性。這一特性在近期氫燃料供應(yīng)設(shè)施不完備的情況下是非常誘人的；氫內(nèi)燃機還具有以下優(yōu)點：在各種氣候條件下都能正常工作，無需加熱設(shè)施沒有低溫啟動問題，燃燒效率高（比內(nèi)燃機高出25％以上）”；該項目的最終結(jié)論是氫燃料內(nèi)燃機車輛在通向氫燃料經(jīng)濟的道路上是一種非常重要的中間技術(shù)。

重型貨車和非道路移動源排放嚴重

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部《中國移動源環(huán)境管理年報（2021）》，2020年，全國汽車一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為693．8萬噸、172．4萬噸、613．7萬噸、6．4萬噸。其中，柴油車排放的氮氧化物（NOx）占汽車排放總量的80％以上，顆粒物（PM）占90％以上；而汽油車排放的一氧化碳（CO）占汽車排放總量的80％以上，碳氫化合物（HC）占70％以上。

按車型劃分的汽車污染物排放量，小客車在一氧化碳、碳氫化合物排放量的分擔(dān)率最高，重型貨車的氮氧化物、顆粒物排放的分擔(dān)率最高。氫燃料內(nèi)燃機在改善重型汽車排放方面可以發(fā)揮顯著的左右。

內(nèi)燃機的救星

北京大學(xué)能源研究院《雙周能源要聞》第14期發(fā)表了一篇文章《氫內(nèi)燃機或可成為內(nèi)燃機救星》。文章指出：“在全球碳中和目標(biāo)下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車減排壓力日益增加，美國要求2027年比2010年減排46％，歐盟要求新售高速重卡2030年比2019年減排30％。麥肯錫近期撰文稱，氫內(nèi)燃機或可拯救內(nèi)燃機車，通過改裝傳統(tǒng)內(nèi)燃機，使其燃燒氫氣，是實現(xiàn)內(nèi)燃機減排并持續(xù)生存的一個技術(shù)選項；不過改燒氫氣后，內(nèi)燃機雖然可以實現(xiàn)零碳排放，但可能會產(chǎn)生氮氧化物污染，需要增加催化設(shè)備進行后處理，這也是多數(shù)人認為燃料電池汽車能更清潔利用氫的重要原因。麥肯錫通過對比生物質(zhì)合成燃料、氫內(nèi)燃機、燃料電池、鋰電池汽車等4種新型汽車技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，氫內(nèi)燃機技術(shù)仍然處于初期階段，但由于燃料電池和鋰電池汽車尚不足以應(yīng)對高動力需求場景（如礦山用車），內(nèi)燃機技術(shù)在這種場景中優(yōu)勢明顯。氫內(nèi)燃機和氫燃料電池可以成為氫能生態(tài)系統(tǒng)中兩個有互補性的零碳汽車選項�！�

麥肯錫的《氫內(nèi)燃機如何為零排放做出貢獻》一文指出：在世界上許多最大的市場，監(jiān)管機構(gòu)正在收緊公路卡車的排放規(guī)定。

傳統(tǒng)上，非公路用卡車受到的監(jiān)管審查較少；然而，非公路領(lǐng)域的原始設(shè)備制造商預(yù)計來自客戶的脫碳壓力會越來越大。對于工程車輛，城市的空氣質(zhì)量法規(guī)正在加強脫碳規(guī)則，并引導(dǎo)客戶使用零排放的挖掘機、裝載機、平地機和叉車。隨著社會對農(nóng)業(yè)部門可持續(xù)性的日益關(guān)注，消費者壓力很可能促使迅速轉(zhuǎn)向零排放農(nóng)用拖拉機和噴霧器。

報告認為，目前有四種零排放動力總成技術(shù)適用于重型公路和非公路車輛：電池電動汽車（BEV）、氫燃料電池電動汽車（FCEV）、氫內(nèi)燃機（H2－ICE）和生物燃料或合成燃料內(nèi)燃機（如果可持續(xù)使用碳源）�；旌蟿恿�和燃氣發(fā)動機代表了在中期減少排放的過渡技術(shù)，但不能單獨實現(xiàn)零排放。

四種零排放技術(shù)各有優(yōu)缺點，因此適用于不同車型的程度也不同。

麥肯錫報告說：雖然我們將所有四種技術(shù)都稱為零排放，但在生產(chǎn)電力、氫氣或合成燃料的過程中產(chǎn)生的CO2排放可能會有很大差異。盡管BEV如果僅使用可再生能源充電，則是碳中和，但目前在大多數(shù)地區(qū)（考慮到全球電網(wǎng)組合的高碳強度），當(dāng)使用電網(wǎng)電力充電時，BEV的使用會導(dǎo)致高碳排放。制氫產(chǎn)生的碳排放也有很大差異，但更容易控制。例如，在可再生能源豐富的地區(qū)，“綠色”氫可以由100％太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)，并輸送到任何加油站。生物燃料和合成燃料的碳強度分別取決于生物質(zhì)和碳的來源。

油箱到車輪的效率范圍從純電動汽車的75％到85％到燃料電池汽車的大約50％和內(nèi)燃機的大約40％到45％。在從油井到車輪的水平上，差異更加明顯：考慮到從電力生產(chǎn)氫氣和從氫氣生產(chǎn)合成燃料的轉(zhuǎn)化損失，F(xiàn)CEV的效率下降到約35％，H2－ICE的效率下降到30％左右，以及大約20％合成燃料的百分比。BEV的從井到輪效率取決于可再生能源的生產(chǎn)地點（因為更長的傳輸線意味著更高的損耗）以及是否使用快速充電。

BEV的高效率需要昂貴的電池，而效率較低的氫和生物燃料／合成燃料可以在與今天的柴油發(fā)動機基本相同的簡單內(nèi)燃機中燃燒，它們可能比柴油發(fā)動機更便宜，因為排氣處理要求較低。

電池比任何燃料都需要更多的時間來充電，這可能會導(dǎo)致正常運行時間減少，從而影響全天候運行。

因此，H2－ICE可以成為各種環(huán)境中可行的動力系統(tǒng)選擇，包括采礦自卸卡車（圖3）。

麥肯錫報告認為：氫燃燒是一種新興的解決方案，可以通過利用成熟的技術(shù)和供應(yīng)鏈來填補一個重要的利基市場。

在四種零排放技術(shù)中，氫燃燒仍處于起步階段，盡管歷史可以追溯到1806年的deRivaz發(fā)動機，但很長一段時間，氫內(nèi)燃機被忽視，因為氫的成本非常高，使得動力系統(tǒng)不經(jīng)濟。然而，今天，一些汽車原始設(shè)備制造商、零部件供應(yīng)商和初創(chuàng)企業(yè)正在重新考慮將氫燃燒作為其未來動力總成產(chǎn)品組合的附加組成部分，與電池和燃料電池一起。

盡管取得了令人矚目的發(fā)展，但電池和燃料電池技術(shù)尚未準(zhǔn)備好滿足許多重型車輛（尤其是非公路用車）所處的惡劣條件所需的極高功率要求。例如，礦用卡車需要數(shù)兆瓦的電力，晝夜不停地運行，并暴露在極端振動和熱量發(fā)展以及空氣中的污垢中。幾十年來，內(nèi)燃機一直滿足這些要求，從柴油轉(zhuǎn)向氫氣可能是使這些發(fā)動機脫碳的直接方法，對進一步技術(shù)創(chuàng)新的要求相對較小。

即使電池和燃料電池在技術(shù)上可行，氫燃燒也可以開辟出利基市場。內(nèi)燃機的低資本支出要求、氫氣價格的下降以及H2－ICE在高負載下實現(xiàn)的相對較高的效率創(chuàng)造了條件，其中氫氣燃燒可以成為具有TCO競爭力的解決方案。此外，由于雙燃料內(nèi)燃機可以使用氫氣、液化天然氣（LNG）或柴油（或氫氣混合物）運行，這取決于可用性，它們可以幫助氫供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施尚未完全實現(xiàn)的汽車領(lǐng)域脫碳覆蓋。

除了這些考慮因素之外，H2－ICE還為汽車原始設(shè)備制造商和零部件供應(yīng)商提供了其他優(yōu)勢：它們利用當(dāng)前的工程知識和工作機會，利用汽車行業(yè)現(xiàn)有的供應(yīng)鏈和生產(chǎn)能力，并且不會造成可持續(xù)性和完整性問題圍繞貴金屬或稀土的供應(yīng)和回收。

氫燃燒和氫燃料電池是互補的，因為它們在同一個生態(tài)系統(tǒng)中成長。兩種動力系統(tǒng)需要相同的基礎(chǔ)設(shè)施；因此，每輛H2－ICE車輛都有助于降低氫燃料電池的成本，反之亦然。同樣，兩種動力系統(tǒng)共享相同的氫罐技術(shù)——在整個動力系統(tǒng)成本中占有很大比例。允許原始設(shè)備制造商和儲罐供應(yīng)商將研發(fā)和資本支出分攤到大量車輛上，將有助于降低所有氫燃料汽車的成本曲線，并支持兩種解決方案的競爭力。最后，一些參與者正在積極開發(fā)氫內(nèi)燃機、燃料電池和電池的混合解決方案，以最大限度地提高可變負載曲線的效率。

H2－ICE的優(yōu)勢包括更低的有效載荷損失和空間要求、與BEV卡車相比更快的加油時間、更低的成本以及更高的熱和振動容限。各種汽車細分市場都可以從這些優(yōu)勢中受益，包括：

輕型車輛，如拖車；

中型車輛，如中程和消防車；

重型車輛，例如混凝土卡車；

采礦和建筑車輛，例如履帶推土機、挖掘機和自卸卡車；

農(nóng)用車輛，如收割機械和拖拉機；

氫的來源如何解決

我國煤炭儲藏豐富，中國含煤面積為55萬平方公里，其中深度1000米以淺的煤炭儲量2．86萬億噸，2015年已探明儲量15663．1億噸，僅次于俄羅斯的2．5萬億噸和美國的1．6萬億噸，居世界第三位。其中高硫劣質(zhì)煤不適宜直接用作發(fā)電或制造燃料，但可用于生產(chǎn)甲醇、制氫。

2020年我國煤制甲醇產(chǎn)能為7000萬噸，在各種制甲醇方式中占比最高，達到76％；天然氣和焦?fàn)t氣制甲醇產(chǎn)能均在1000萬噸左右，占比12％。煤制甲醇主產(chǎn)區(qū)為西北地區(qū)，占比60％。

甲醇本身就可以作為燃料給車輛提供動力。對現(xiàn)有加油站進行簡單的密封件改造就可以用于加注甲醇，相比單獨建加氫站也大大降低了成本。

甲醇在常溫下就可以實現(xiàn)運輸和存儲，液體甲醇比氣體燃料運輸成本更低。相對于氫氣、汽油和天然氣，甲醇對環(huán)境更友好，屬于易燃不易爆的化學(xué)品，易溶于水、易降解、不會對土壤河流等產(chǎn)生污染。

2019年7月1日，GB／T37244－2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》正式實施，該標(biāo)準(zhǔn)對氫氣中雜質(zhì)組分的限制要求與GB／T3634．2《工業(yè)高純氫》存在很大差別，后者對總硫、甲醛、甲酸、氨、總鹵化物、顆粒物濃度都沒有規(guī)定，CO雖然規(guī)定了含量要求，但高于GB／T37244－2018中的最大允許值的5倍。

為了避免催化劑中毒，國際上大多采用高溫甲醇燃料電池。雖然這條技術(shù)路線解決了催化劑中毒問題，但在反應(yīng)過程中對水的管理要求比較高，技術(shù)成本也比較高。

甲醇重整之后的氣體雜質(zhì)對燃料電池電堆內(nèi)的催化劑影響較大，催化劑鉑是貴金屬并且很驕氣，輸入電堆中的氣體純度不高容易導(dǎo)致催化劑中毒。但是甲醇重整后氫氣直接用于內(nèi)燃機燃料就沒有問題。

佳安氫源科技有限公司李想認為，目前全國運營的加氫站，絕大部分氫氣的純度或雜質(zhì)含量并不能滿足燃料電池的用氫標(biāo)準(zhǔn)，尤其是雜質(zhì)含量過多，可能會給燃料電池帶來不可逆的物理性損害。

工業(yè)氫與燃料氫有本質(zhì)的區(qū)別，前者主要關(guān)注的是氫氣的純度，后者關(guān)注的是特定雜質(zhì)的含量，即便純度達到五個九（99．999％）的高純氫，如果雜質(zhì)超標(biāo)，照樣會對習(xí)慣吃細糧的燃料電池帶來重大損害。氫燃料電池對氫氣的要求非常高，“嬌貴”的氫燃料電池很容易因為氫氣中雜質(zhì)的存在導(dǎo)致性能下降甚至報廢。在工業(yè)用氫標(biāo)準(zhǔn)里邊，高純氫即5個9的氫也不一定能滿足燃料電池用氫要求。

因此，目前有企業(yè)研發(fā)甲醇重整制氫方案。甲醇重整的優(yōu)點就是可以擺脫對加氫站的依賴。