氢内燃机将焕发新生？——探索氢能利用的另一种可能

在燃料电池“大张旗鼓”发展的形势之下，氢内燃机似乎不太好过。尽管成本比氢燃料电池低得多，但是“买账”的却并不多。

氢能利用的另一种可能

氢能的利用方式主要有燃料电池和氢内燃机两种。

其中，燃料电池具有效率高、零排放的优点，但其技术难度大、成本高，对基础设施依赖强。

而氢内燃机具有多种燃料适应性，也可以用氢气与现有的天然气、柴油或者汽油进行掺混燃烧。氢内燃机保留了传统内燃机的主要结构和系统，传统内燃机的大部分零件氢内燃机都可以通用，能够更大幅度降低制造成本，用内燃机来燃烧氢气是实现氢能源的非常重要的方式。

据美国环保局中重卡温室气体排放模型（GEM）测算，一台由氢内燃机驱动的2027 8级卧铺半挂车，相比同类型的柴油发动机车辆每年可减少二氧化碳排放144公吨。当前，包括丰田、宝马、康明斯、川崎等在内的多家企业正在积极进行氢内燃机研发。

去年8月10日，工信部对以“关于鼓励发展零碳排放氢气发动机”为主题的建议作出答复，工信部答复建议表示，下一步将积极配合相关部门制定氢能发展战略，研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持。工信部将根据氢气发动机技术进步和应用推广情况，进一步评估现行标准体系的适应性和差异性，提前布局相关标准预研，适时推动急需标准制定，有力支撑氢气汽车科学合理发展。

去年12月3日，工业和信息化部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，再次提出发展氢燃料燃气轮机。

尽管国内氢内燃机的发展较为缓慢，但近两年国家政策的号召以及市场的需要都在证明，氢内燃机的生存之路似乎还未到绝境。

历史悠远却发展缓慢

氢内燃机的历史可以追溯到1807年，当时瑞士人伊萨克·代·李瓦茨研发了第一款单缸氢气内燃机。1968年，前苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，并研究了改用液氢的结构方案，试验取得成功，改用氢以后，发动机热效率提高，热负荷减轻。1972年洛斯阿拉莫斯实验室把一辆别克牌轿车改成液氢汽车，发动机是一台增压的六缸四冲程内燃机，充装一次液氢后行驶274km。

上世纪70年代后，苏联、德国、日本、美国、中国都有氢内燃机的技术投入，但是离占据主流还有相当长的距离，更多是实验室产品和概念车。

氢内燃机(hydrogen internal combustion engine)可以简单的理解为烧氢气的发动机，其基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸——活塞式的内燃机，同样是按照吸气——压缩——做功——排气4个冲程来完成化学能对机械能的转化，只是氢内燃机里的燃料是氢气。

氢气内燃机与汽油内燃机相比有很多优点：排放物污染少，系统效率高，发动机的寿命也长。与燃料电池相比，普通氢燃料内燃机成本比常规汽油机成本仅高15％左右，远低于燃料电池，具有成本优势。氢内燃机的供氢系统与氢燃料电池车相同。发动机本体与天然气发动机类似，增加了氢气喷射系统，后处理主要处理氮氧化物，总体技术可靠性高，成本低，还能对现有车辆进行改装升级，在环保方面潜力很大。同时，氢内燃机使用的燃料氢气，对纯度的要求不高，可以直接使用工业副产氢，不需要进一步的提纯，进一步降低了成本。（氢燃料电池对于氢的纯度就有一定的要求。）另外，氢内燃机比氢燃料电池更加适应高负荷运行工况，更适用于重载、非道路、建筑和专用商用车。

但是，氢内燃机易发生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺点，以及相较于燃料电池可以直接将化学能转换为电能，其能量转换效率较低，从而限制了氢内燃机的进一步推广应用。

国内技术之路

我国氢发动机的研究开始于20世纪80年代初，国内一些高校和科研单位对内燃机燃氢和燃氢双燃料内燃机等进行了实验研究。其中，浙江大学曾与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究，试验采用了缸内直接喷射，并用模糊神经网络控制，试验结果表明氢气发动机的异常燃烧、动力增加及NOx减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。

2006年8月，由北京工业大学、北京益麦斯科技有限公司和北京飞驰绿能电源技术有限公司联合成功改造了一辆可使用汽油和氢气混合燃料的1.6L依兰特轿车。该车在冷启动、暖机、怠速和小负荷采用纯氢气运行，接近零排放；在中等负荷采用汽油混氢燃烧，排放和油耗进一步降低；在大负荷采用纯汽油模式，确保了车辆在高负荷的动力性。北京理工大学对氢内燃机的研究走在国内前列，“十一五”期间与长安汽车集团合作，承接了国防科工委和科技部863节能与新能源汽车重大专项课题，开展了多项有关氢发动机内容的研究。

2007年6月，北京理工大学与长安集团共同研制的国内第一台氢内燃发动机，在长安集团点火成功。随后在2008年的北京国际车展上，长安汽车发布了中国首款氢动力概念跑车“氢程”。“氢程”搭载的便是上文刚刚提到的增压中冷氢内燃机，直接以压缩氢气为燃料，其性能不仅可以达到汽油机的水平，效率上还比同排量的汽油机高30%以上，HC、CO、CO2排放几乎为零，完全可实现超低排放并具有良好的低温启动性，在一次性加足燃料的情况下巡航距离可达230Km以上。

由于氢发动机需要将氢气燃烧后获得能量，传统的高压储氢所能存储的氢气有限，而液化氢气需要零下200℃甚至更低，成本过于高昂，固体储氢是一个非常有前景的技术，但是目前来看短期内很难有突破性的材料和进展。2018年12月3日，北京理工大学在国家军民融合公共服务平台上发布了目前国内唯一的一套可以进行氢燃料内燃机系统开发的专用试验台架。

北京理工大学（以下简称“北理工”）氢内燃机研究课题组于2006年正式成立。孙柏刚教授带领团队用了6个月建立第一个实验室，如今已形成稳定的科研队伍。目前，北理工氢内燃机团队基本搭建具有国际先进水平的整套实验台系统，是国内少有的能够进行氢内燃机整机测试的完整实验平台。当前，团队已为国内多家重点企业开发多款氢内燃机，相关技术得到行业广泛认可。

国内市场形势

早在2005年，长安汽车就开始了氢内燃机研究，并获得国家“863”计划立项。2007年6月，长安汽车与北理工合作研究的PFI氢内燃机成功点火。截止到2013年，研制的样车稳定运行距离超过10,000公里。

2021年4月，由中国一汽自主设计研发的首款红旗2.0L氢能专用发动机在研发总院试制所顺利下线交付，并于当月在北理工实现点火。该发动机基于中国一汽最先进的第三代汽油机产品平台自主研发，发动机排量2升，目标热效率大于42%。

2021年6月，长城蜂巢动力发布8款全新发动机。在氢气发动机方面，长城表示将于2025年推出氢气发动机，热效率为42%，最大功率为120千瓦（163马力），最大扭矩230牛米，搭载氢气专用直喷系统、高压耐腐蚀氢气供给系统等多项新技术。

2021年9月，广汽集团自主研发的首款氢气发动机点火成功。该发动机基于广汽第四代发动机平台自主研发，广汽集团拥有完全自主知识产权，采用了多种新技术，以确保发动机平稳运行，热效率可达44%。

2021年12月，玉柴集团在北理工发布中国首台商用车燃氢发动机YCK05。该燃氢发动机采用高压多点进气道喷射技术、高效低惯量涡轮增压技术、高效稀薄燃烧技术等多项先进的专项技术，并对整机结构、燃烧和配气等子系统进行全面优化升级，攻克了燃氢发动机易回火、易爆震等技术难题，热效率达到42%。此外，面向重卡领域的YCK15N燃氢发动机预计将于在2022年上半年实现点火且稳定运行。

国际企业研发情况（以康明斯和丰田为例）

康明斯

作为全球领先的动力设备制造商，康明斯一直在持续投资研发氢能交通技术，包括氢燃料发动机、燃料电池、电解槽和储氢罐。

5月9日，在加利福尼亚举办的ACT Expo展会上，康明斯展示了其最新的15L氢内燃机。该发动机基于康明斯最新的适用于多种燃料的发动机平台，该平台的发动机气缸垫下方的大部分零部件结构相似，而气缸垫上方则根据不同燃料的类型，采用不同的零部件组合。

作为康明斯推进零碳目标战略的重要组成部分，该发动机可使用清洁、零碳的氢气作为燃料，助力客户加速温室气体减排。

早在2021年7月，康明斯就宣布开始氢内燃机开发的前瞻测试，开辟了商用车和非道路设备脱碳动力技术新路径。

去年7月13日，康明斯公司宣布已开始氢燃料内燃机开发的前瞻测试，此项概念验证测试基于康明斯行业领先的气体燃料应用和动力链技术基础，旨在进一步探索先进零碳技术发展的新路径。

去年9月，康明斯宣布其氢燃料内燃机（H2-ICE）计划正在开始开发中型6.7升和重型15升发动机。康明斯公司发动机业务总裁Srikanth Padmanabhan表示：“虽然电池-电动和燃料电池-电动动力系统都非常有前景，但内燃机成熟技术中的绿色氢配对技术也可为未来的零排放解决方案提供重要补充。”

丰田

世界上第一辆氢内燃机赛车就出自丰田手笔。

去年4月22日，丰田官方宣布其首台氢燃料内燃机赛车将会在2021年5月21日开始的富士24小时耐力赛上亮相。丰田将氢燃料电池量产车MIRAI的氢气储存罐装进丰田卡罗拉掀背版赛车中，发动机则是来自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3发动机，并与电装合作开发了氢气专用喷油嘴和火花塞，发动机将直接燃烧氢气产生动力。

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