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8月10日,工業(yè)和信息化部(工信部)表示的應對建議5736號第四屆全國人民代表大會(NPC),它將積極配合一個氫能源發(fā)展戰(zhàn)略的制定和研究,促進氫內(nèi)燃機的集成支持它。氫燃料發(fā)動機引起了市場的關注。氫內(nèi)燃機是氫燃料電池系統(tǒng)嗎?有什么區(qū)別呢?讓我們做一些基本的修飾。
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，氫燃料電池是一種先進、高效的能量轉換設備，它通過化學反應將燃料中的化學能直接轉化為電能，而不需要燃燒。氫發(fā)動機的原理與燃油發(fā)動機相同。它是一種通過燃燒反應氣體釋放化學能，通過氣體膨脹做功的動力設備。氫發(fā)動機的能量轉換效率受卡諾循環(huán)的限制，燃料效率不能超過氫燃料電池。
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就制造出了世界上第一臺氫內(nèi)燃機。1972年，在美國舉行的城市交通空氣污染最小競賽中，大眾公司研發(fā)的氫燃料汽車獲得第一名。1974年，日本武藏工業(yè)大學和日產(chǎn)公司開發(fā)了“武藏1號”氫內(nèi)燃機車，采用液氫儲存、氣缸高壓噴射、進口低壓噴射，并在每屆世界氫能大會上介紹氫能內(nèi)燃機汽車的最新研究成果。1979年，寶馬汽車集團開發(fā)出了第一輛實現(xiàn)了上路的氫燃發(fā)動機汽車，并在隨后的時間里推出了多款系列氫燃發(fā)動機汽車。2001年，寶馬集團的寶馬745H車型在法蘭克福車展上亮相。2004年，以寶馬760I 6.0L V12汽油發(fā)動機為基礎的寶馬H2R在法國的高速試驗場進行了測試。該車創(chuàng)下了9項速度紀錄，充分展示了氫燃料汽車的巨大潛力。2007年，寶馬推出了世界上第一輛氫動力汽車——氫7系列。
2004年，福特公司研發(fā)的混合動力汽車采用了氫內(nèi)燃機作為動力源。2006年，氫能內(nèi)燃機v-10發(fā)動機投產(chǎn)。2007年，它開發(fā)了一款氫燃料巴士。2007年，中國長安汽車集團與北京理工大學進行了氫燃料汽車的合作研究，開發(fā)了PFI氫燃料汽車，滿足了道路行駛的要求。截至2013年，已開發(fā)樣車穩(wěn)定行駛里程超過1萬公里。2021年5月12日，中國一汽紅旗氫能發(fā)動機成為中國品牌博覽會的焦點對象之一。
圖2 一汽紅旗
氫燃料電池技術早于氫引擎。早在1839年，英國人威廉·羅伯特·格羅夫就首次提出了燃料電池的基本原理。20世紀50年代，培根作為先驅者，開始對燃料電池進行基礎研究。隨著美國航天計劃采用燃料電池作為其能源供應系統(tǒng)，燃料電池逐漸引起人們的關注并取得了積極的進展。在軍事方面，氫燃料電池已經(jīng)成功地用于軍事潛艇。
由于潛艇具有隱蔽性和威懾性的優(yōu)勢，國防工業(yè)十分重視其發(fā)展。氫燃料電池具有工作溫度低、無噪音、續(xù)航能力強的獨特優(yōu)勢，剛好滿足軍事作戰(zhàn)潛艇隱身和續(xù)航的要求。由德國Horvac公司開發(fā)的212A型和214型燃料電池潛艇代表了燃料電池技術在潛艇上成功應用的最高水平。
在民用領域，美國的哈里?卡爾?伊里克(Harry Carl Ihrig)將艾利斯-查默斯(Allis-Chalmers)的拖拉機改裝成由燃料電池驅動的電動機，可產(chǎn)生15千瓦的電力。這臺拖拉機也成為了世界上第一輛燃料電池驅動的汽車。在美國空軍的幫助下，Alice-chalmers繼續(xù)了幾年的燃料電池研究。
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，通用汽車才開發(fā)出第一輛真正的燃料電池汽車?；贕MC handdivan，所有的燃料電池組件和儲氫罐都被放置在面包車的后部，而面包車后部原本可以容納6人的空間，現(xiàn)在只能容納2人。它的續(xù)航里程也只有120英里。
圖3 世界上第一臺燃料電池拖拉機
中國的燃料電池汽車研究將于1999年在清華大學啟動。2001年，清華大學用一個15千瓦的反應堆組裝了一輛小巴。2001年，中國科技部啟動了燃料電池客車和燃料電池汽車項目。燃料電池大客車由清華大學牽頭，燃料電池汽車由同濟大學牽頭。2008年，清華大學在北京奧運會期間部署了三輛燃料電池公交車，之后又為2010年上海世博會提供了三輛公交車。
目前，許多省市都有氫燃料電池公交車的測試線路。2008年6月16日，本田正式推出了新一代氫氧燃料電池汽車FCX Clarity。
雖然本田已經(jīng)宣布停止生產(chǎn)新車型，但在最近的股東大會上表示，將繼續(xù)開發(fā)新的氫燃料電池產(chǎn)品，并于2023年推出。2014年11月19日，豐田公司發(fā)布了新型氫燃料電池汽車“Mirai”，中文翻譯為“未來”，真正實現(xiàn)了燃料電池汽車的量產(chǎn)。2020年12月9日，豐田繼續(xù)推出第二代“未來”，大大提高了燃料電池汽車的續(xù)航里程和功率密度，有力推動了燃料電池汽車的發(fā)展。
總之，氫燃料電池和氫發(fā)動機并不是新技術。它們已經(jīng)被研究了近兩個世紀，但時間和市場決定了哪些技術會發(fā)光。
當然，技術也是符合時代的，以顯著的優(yōu)勢在那個時代贏得了時代和市場的青睞。例如，在20世紀，電動汽車和燃氣汽車相互競爭，但燃氣汽車在競爭中勝過了電動汽車，因為燃氣汽車具有里程長、加油時間短等顯著優(yōu)勢。
近十年來，在節(jié)能減排政策的支持下，電動汽車開始重新進入市場。然而，電動汽車只是一種高效利用電能的工具，僅僅依靠電動汽車是不可能建立一個低碳甚至無碳社會的。即使考慮到一些專家批評電動汽車的碳轉移，它們是否能減少排放仍是有爭議的。一個真正的碳中和社會需要建立新能源。國家的長期能源發(fā)展戰(zhàn)略是建設以可再生能源生產(chǎn)為基礎的氫社會，真正實現(xiàn)無碳社會的轉型。氫燃料電池和氫發(fā)動機作為其中的應用場景將逐漸凸顯到重要的地位。
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耗竭(能源安全)和環(huán)境污染的問題，就沒有必要逐步淘汰燃料動力設備。因此，氫燃料電池和氫發(fā)動機最大的優(yōu)點是環(huán)保和燃料來源的發(fā)展。由于氫發(fā)動機和燃料發(fā)動機的結構相似，氫發(fā)動機在汽車上的研究似乎比氫發(fā)動機的研究還要早，但為什么進入市場這么慢呢?一主要是氫能配套設施不完善(氫化不方便，氫氣價格過高)。
但是，在目前國家發(fā)展氫能的時代，這將不再是一個限制。氫發(fā)動機可以充分利用現(xiàn)有內(nèi)燃機行業(yè)基礎，但由于氫燃燒特性的獨特物理化學性質，氫發(fā)動機技術比傳統(tǒng)燃料發(fā)動機更難!傳統(tǒng)燃料發(fā)動機在氫領域的使用，需要克服的技術難點主要是早期燃燒、爆燃和回火三個方面，如表1所示。雖然國內(nèi)一些企業(yè)和高校已經(jīng)取得了一定的研究成果，但相關技術仍處于研發(fā)階段。目前，用于汽車的氫燃料電池相關技術已經(jīng)逐漸成熟，主要是因為配套的產(chǎn)業(yè)基礎還處于薄弱階段。
表1 氫氣發(fā)動機的技術難點 來源：楊敏敏， 氫內(nèi)燃機燃燒早燃回火問題
氫的密度很低，需要很大的空間才能以氣體的形式存在。據(jù)研究，在相同條件下進入鋼瓶時，氫在鋼瓶中所占的氣體量是汽油的15 ~ 30倍左右，因此會導致效率下降。此外,氫發(fā)動機的燃油效率不高,即氫不耐燒,當寶馬發(fā)起于2007年氫能7系氫發(fā)動機的汽車消費3.7公斤/ 100公里,和燃料電池轎車通常是1 ~ 1.5公斤/ 100公里。豐田最新的第二代Mirai總加氫能力為5.6公斤，續(xù)航里程為650公里，也就是說每100公里加氫不足1公斤。另外，空氣中的氮在高溫高壓的工作環(huán)境中會產(chǎn)生氮氧化物污染環(huán)境，無法達到氫燃料電池的100%環(huán)保。最后，氫會導致金屬的氫脆，影響發(fā)動機的安全性能。
圖5 豐田第二代Mirai
與氫燃料電池相比，氫發(fā)動機最大的優(yōu)勢是成本。目前，一個100kW的氫燃料電池反應堆(原型)造價約50萬元。雖然小濤的報價震驚業(yè)界，但當訂單量超過1萬臺時，只需要1199元/kW，反應器成本約12萬元。目前國產(chǎn)100kW柴油發(fā)動機的價格在6萬元左右，而氫發(fā)動機的成本要高出15%左右，約6.9萬元。
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