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在燃料電池“大張旗鼓”發(fā)展的形勢之下，氫內(nèi)燃機似乎不太好過。盡管成本比氫燃料電池低得多，但是“買賬”的卻并不多。

氫能利用的另一種可能

氫能的利用方式主要有燃料電池和氫內(nèi)燃機兩種。

其中，燃料電池具有效率高、零排放的優(yōu)點，但其技術(shù)難度大、成本高，對基礎(chǔ)設(shè)施依賴強。

而氫內(nèi)燃機具有多種燃料適應(yīng)性，也可以用氫氣與現(xiàn)有的天然氣、柴油或者汽油進行摻混燃燒。氫內(nèi)燃機保留了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的大部分零件氫內(nèi)燃機都可以通用，能夠更大幅度降低制造成本，用內(nèi)燃機來燃燒氫氣是實現(xiàn)氫能源的非常重要的方式。

據(jù)美國環(huán)保局中重卡溫室氣體排放模型（GEM）測算，一臺由氫內(nèi)燃機驅(qū)動的2027 8級臥鋪半掛車，相比同類型的柴油發(fā)動機車輛每年可減少二氧化碳排放144公噸。當前，包括豐田、寶馬、康明斯、川崎等在內(nèi)的多家企業(yè)正在積極進行氫內(nèi)燃機研發(fā)。

去年8月10日，工信部對以“關(guān)于鼓勵發(fā)展零碳排放氫氣發(fā)動機”為主題的建議作出答復(fù)，工信部答復(fù)建議表示，下一步將積極配合相關(guān)部門制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫氣內(nèi)燃機納入其中予以支持。工信部將根據(jù)氫氣發(fā)動機技術(shù)進步和應(yīng)用推廣情況，進一步評估現(xiàn)行標準體系的適應(yīng)性和差異性，提前布局相關(guān)標準預(yù)研，適時推動急需標準制定，有力支撐氫氣汽車科學(xué)合理發(fā)展。

去年12月3日，工業(yè)和信息化部印發(fā)《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，再次提出發(fā)展氫燃料燃氣輪機。

盡管國內(nèi)氫內(nèi)燃機的發(fā)展較為緩慢，但近兩年國家政策的號召以及市場的需要都在證明，氫內(nèi)燃機的生存之路似乎還未到絕境。

歷史悠遠卻發(fā)展緩慢

氫內(nèi)燃機的歷史可以追溯到1807年，當時瑞士人伊薩克·代·李瓦茨研發(fā)了第一款單缸氫氣內(nèi)燃機。1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)院西伯利亞分院理論和應(yīng)用力學(xué)研究所用汽車發(fā)動機進行了分別燃用汽油和氫的試驗，并研究了改用液氫的結(jié)構(gòu)方案，試驗取得成功，改用氫以后，發(fā)動機熱效率提高，熱負荷減輕。1972年洛斯阿拉莫斯實驗室把一輛別克牌轎車改成液氫汽車，發(fā)動機是一臺增壓的六缸四沖程內(nèi)燃機，充裝一次液氫后行駛274km。

上世紀70年代后，蘇聯(lián)、德國、日本、美國、中國都有氫內(nèi)燃機的技術(shù)投入，但是離占據(jù)主流還有相當長的距離，更多是實驗室產(chǎn)品和概念車。

氫內(nèi)燃機(hydrogen internal combustion engine)可以簡單的理解為燒氫氣的發(fā)動機，其基本原理與普通的汽油或者柴油內(nèi)燃機的原理一樣，是基本的汽缸——活塞式的內(nèi)燃機，同樣是按照吸氣——壓縮——做功——排氣4個沖程來完成化學(xué)能對機械能的轉(zhuǎn)化，只是氫內(nèi)燃機里的燃料是氫氣。

氫氣內(nèi)燃機與汽油內(nèi)燃機相比有很多優(yōu)點：排放物污染少，系統(tǒng)效率高，發(fā)動機的壽命也長。與燃料電池相比，普通氫燃料內(nèi)燃機成本比常規(guī)汽油機成本僅高15％左右，遠低于燃料電池，具有成本優(yōu)勢。氫內(nèi)燃機的供氫系統(tǒng)與氫燃料電池車相同。發(fā)動機本體與天然氣發(fā)動機類似，增加了氫氣噴射系統(tǒng)，后處理主要處理氮氧化物，總體技術(shù)可靠性高，成本低，還能對現(xiàn)有車輛進行改裝升級，在環(huán)保方面潛力很大。同時，氫內(nèi)燃機使用的燃料氫氣，對純度的要求不高，可以直接使用工業(yè)副產(chǎn)氫，不需要進一步的提純，進一步降低了成本。（氫燃料電池對于氫的純度就有一定的要求。）另外，氫內(nèi)燃機比氫燃料電池更加適應(yīng)高負荷運行工況，更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車。

但是，氫內(nèi)燃機易發(fā)生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺點，以及相較于燃料電池可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其能量轉(zhuǎn)換效率較低，從而限制了氫內(nèi)燃機的進一步推廣應(yīng)用。

國內(nèi)技術(shù)之路

我國氫發(fā)動機的研究開始于20世紀80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機燃氫和燃氫雙燃料內(nèi)燃機等進行了實驗研究。其中，浙江大學(xué)曾與日本武藏工業(yè)大學(xué)合作進行液氫發(fā)動機的試驗研究，試驗采用了缸內(nèi)直接噴射，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，試驗結(jié)果表明氫氣發(fā)動機的異常燃燒、動力增加及NOx減少在很大程度上取決于正確的噴氫系統(tǒng)、噴射正時及點火正時。

2006年8月，由北京工業(yè)大學(xué)、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術(shù)有限公司聯(lián)合成功改造了一輛可使用汽油和氫氣混合燃料的1.6L依蘭特轎車。該車在冷啟動、暖機、怠速和小負荷采用純氫氣運行，接近零排放；在中等負荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進一步降低；在大負荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負荷的動力性。北京理工大學(xué)對氫內(nèi)燃機的研究走在國內(nèi)前列，“十一五”期間與長安汽車集團合作，承接了國防科工委和科技部863節(jié)能與新能源汽車重大專項課題，開展了多項有關(guān)氫發(fā)動機內(nèi)容的研究。

2007年6月，北京理工大學(xué)與長安集團共同研制的國內(nèi)第一臺氫內(nèi)燃發(fā)動機，在長安集團點火成功。隨后在2008年的北京國際車展上，長安汽車發(fā)布了中國首款氫動力概念跑車“氫程”?！皻涑獭贝钶d的便是上文剛剛提到的增壓中冷氫內(nèi)燃機，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達到汽油機的水平，效率上還比同排量的汽油機高30%以上，HC、CO、CO2排放幾乎為零，完全可實現(xiàn)超低排放并具有良好的低溫啟動性，在一次性加足燃料的情況下巡航距離可達230Km以上。

由于氫發(fā)動機需要將氫氣燃燒后獲得能量，傳統(tǒng)的高壓儲氫所能存儲的氫氣有限，而液化氫氣需要零下200℃甚至更低，成本過于高昂，固體儲氫是一個非常有前景的技術(shù)，但是目前來看短期內(nèi)很難有突破性的材料和進展。2018年12月3日，北京理工大學(xué)在國家軍民融合公共服務(wù)平臺上發(fā)布了目前國內(nèi)唯一的一套可以進行氫燃料內(nèi)燃機系統(tǒng)開發(fā)的專用試驗臺架。

北京理工大學(xué)（以下簡稱“北理工”）氫內(nèi)燃機研究課題組于2006年正式成立。孫柏剛教授帶領(lǐng)團隊用了6個月建立第一個實驗室，如今已形成穩(wěn)定的科研隊伍。目前，北理工氫內(nèi)燃機團隊基本搭建具有國際先進水平的整套實驗臺系統(tǒng)，是國內(nèi)少有的能夠進行氫內(nèi)燃機整機測試的完整實驗平臺。當前，團隊已為國內(nèi)多家重點企業(yè)開發(fā)多款氫內(nèi)燃機，相關(guān)技術(shù)得到行業(yè)廣泛認可。

國內(nèi)市場形勢

早在2005年，長安汽車就開始了氫內(nèi)燃機研究，并獲得國家“863”計劃立項。2007年6月，長安汽車與北理工合作研究的PFI氫內(nèi)燃機成功點火。截止到2013年，研制的樣車穩(wěn)定運行距離超過10,000公里。

2021年4月，由中國一汽自主設(shè)計研發(fā)的首款紅旗2.0L氫能專用發(fā)動機在研發(fā)總院試制所順利下線交付，并于當月在北理工實現(xiàn)點火。該發(fā)動機基于中國一汽最先進的第三代汽油機產(chǎn)品平臺自主研發(fā)，發(fā)動機排量2升，目標熱效率大于42%。

2021年6月，長城蜂巢動力發(fā)布8款全新發(fā)動機。在氫氣發(fā)動機方面，長城表示將于2025年推出氫氣發(fā)動機，熱效率為42%，最大功率為120千瓦（163馬力），最大扭矩230牛米，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)。

2021年9月，廣汽集團自主研發(fā)的首款氫氣發(fā)動機點火成功。該發(fā)動機基于廣汽第四代發(fā)動機平臺自主研發(fā)，廣汽集團擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，采用了多種新技術(shù)，以確保發(fā)動機平穩(wěn)運行，熱效率可達44%。

2021年12月，玉柴集團在北理工發(fā)布中國首臺商用車燃氫發(fā)動機YCK05。該燃氫發(fā)動機采用高壓多點進氣道噴射技術(shù)、高效低慣量渦輪增壓技術(shù)、高效稀薄燃燒技術(shù)等多項先進的專項技術(shù)，并對整機結(jié)構(gòu)、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進行全面優(yōu)化升級，攻克了燃氫發(fā)動機易回火、易爆震等技術(shù)難題，熱效率達到42%。此外，面向重卡領(lǐng)域的YCK15N燃氫發(fā)動機預(yù)計將于在2022年上半年實現(xiàn)點火且穩(wěn)定運行。

國際企業(yè)研發(fā)情況（以康明斯和豐田為例）

康明斯

作為全球領(lǐng)先的動力設(shè)備制造商，康明斯一直在持續(xù)投資研發(fā)氫能交通技術(shù)，包括氫燃料發(fā)動機、燃料電池、電解槽和儲氫罐。

5月9日，在加利福尼亞舉辦的ACT Expo展會上，康明斯展示了其最新的15L氫內(nèi)燃機。該發(fā)動機基于康明斯最新的適用于多種燃料的發(fā)動機平臺，該平臺的發(fā)動機氣缸墊下方的大部分零部件結(jié)構(gòu)相似，而氣缸墊上方則根據(jù)不同燃料的類型，采用不同的零部件組合。

作為康明斯推進零碳目標戰(zhàn)略的重要組成部分，該發(fā)動機可使用清潔、零碳的氫氣作為燃料，助力客戶加速溫室氣體減排。

早在2021年7月，康明斯就宣布開始氫內(nèi)燃機開發(fā)的前瞻測試，開辟了商用車和非道路設(shè)備脫碳動力技術(shù)新路徑。

去年7月13日，康明斯公司宣布已開始氫燃料內(nèi)燃機開發(fā)的前瞻測試，此項概念驗證測試基于康明斯行業(yè)領(lǐng)先的氣體燃料應(yīng)用和動力鏈技術(shù)基礎(chǔ)，旨在進一步探索先進零碳技術(shù)發(fā)展的新路徑。

去年9月，康明斯宣布其氫燃料內(nèi)燃機（H2-ICE）計劃正在開始開發(fā)中型6.7升和重型15升發(fā)動機。康明斯公司發(fā)動機業(yè)務(wù)總裁Srikanth Padmanabhan表示：“雖然電池-電動和燃料電池-電動動力系統(tǒng)都非常有前景，但內(nèi)燃機成熟技術(shù)中的綠色氫配對技術(shù)也可為未來的零排放解決方案提供重要補充。”

豐田

世界上第一輛氫內(nèi)燃機賽車就出自豐田手筆。

去年4月22日，豐田官方宣布其首臺氫燃料內(nèi)燃機賽車將會在2021年5月21日開始的富士24小時耐力賽上亮相。豐田將氫燃料電池量產(chǎn)車MIRAI的氫氣儲存罐裝進豐田卡羅拉掀背版賽車中，發(fā)動機則是來自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3發(fā)動機，并與電裝合作開發(fā)了氫氣專用噴油嘴和火花塞，發(fā)動機將直接燃燒氫氣產(chǎn)生動力。

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氫內(nèi)燃機將煥發(fā)新生？——探索氫能利用的另一種可能

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