氫能的利用方式主要有燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)兩種。

氫燃料電池相比氫內(nèi)燃機(jī)化學(xué)能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換效率更高，而且省去了內(nèi)燃機(jī)中的機(jī)油潤滑系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)，但各環(huán)節(jié)降本之路依舊漫長。

氫內(nèi)燃機(jī)也叫氫燃料發(fā)動機(jī)，以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)，通過改變?nèi)剂瞎?yīng)系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及燃料等，燃燒氫氣產(chǎn)生動力，從而驅(qū)動車輛的行駛。

可以簡單的理解為燒氫氣的發(fā)動機(jī)，其基本原理與普通的汽油或者柴油內(nèi)燃機(jī)的原理一樣，是基本的汽缸—活塞式的內(nèi)燃機(jī)，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(jī)械能的轉(zhuǎn)化，只是氫內(nèi)燃機(jī)里的燃料是氫氣。

氫內(nèi)燃機(jī) VS 氫燃料電池

普通氫燃料內(nèi)燃機(jī)成本是目前的燃料電池價格的1/10甚至1/20，遠(yuǎn)低于燃料電池，具有成本優(yōu)勢。

氫內(nèi)燃機(jī)具有多種燃料適應(yīng)性，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(jìn)一步的提純，進(jìn)一步降低了成本；也可以用氫氣與現(xiàn)有的天然氣、柴油或者汽油進(jìn)行摻混燃燒。

但是，氫內(nèi)燃機(jī)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（廣汽氫內(nèi)燃機(jī)44%，氫燃料電池60%-70%），從而限制了氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

就目前量產(chǎn)車來看，氫燃料電池技術(shù)發(fā)展更迅速，我國已經(jīng)進(jìn)入了氫燃料電池汽車的示范推廣階段，促進(jìn)了氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以及氫能產(chǎn)業(yè)鏈的完善。

這些也有利于氫內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展。

尤其對中重卡、船機(jī)、工程機(jī)械等高載荷和高功率密度應(yīng)用來說，電動解決方案無法滿足其運行要求，氫內(nèi)燃機(jī)或可以為這些應(yīng)用提供新的零碳解決方案。

從用戶層面來看，由于外觀、聲音、工作方式都與大家熟悉的內(nèi)燃機(jī)相似，且可靠性和耐用性可與柴油發(fā)動機(jī)相媲美。選擇裝配氫燃料發(fā)動機(jī)的車輛也是個不錯的選擇，可以避免投資一項全新技術(shù)引發(fā)潛在風(fēng)險的擔(dān)憂。

客觀來看，在全球能源綠色化的大背景下，不同的動力路線擅長的領(lǐng)域和場景不盡相同，逐漸呈現(xiàn)出百花齊放的市場格局。

氫內(nèi)燃機(jī)作為能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的可行性技術(shù)路線，已經(jīng)引起了決策層、企業(yè)端、以及應(yīng)用層面的重視。不過，目前業(yè)界還處于初步探索階段，未來前景如何還有待觀察。

從長期來看，筆者認(rèn)為在飛機(jī)上應(yīng)用具有很大潛力（航天航空對重量要求高、體積要求較低對氫氣瓶相對友好）。發(fā)展歷程

1）海外

氫內(nèi)燃機(jī)的歷史可以追溯到1807年，當(dāng)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(jī)。

1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)院用汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分別燃用汽油和氫的試驗，改用液氫的結(jié)構(gòu)方案，發(fā)動機(jī)熱效率提高，熱負(fù)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(jī)是一臺增壓的六缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，充裝一次液氫后行駛274km。

上世紀(jì)70年代后，蘇聯(lián)、德國、日本、美國、中國都有氫內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)投入，主要是實驗室產(chǎn)品和概念車。

福特汽車在1997年啟動氫內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)工作，搭載其2.0L氫氣發(fā)動機(jī)的轎車車型在2001年發(fā)布；

馬自達(dá)在2003年發(fā)布了雙燃料的Mazda RX-8 Hydrogen RE；

寶馬在2005年量產(chǎn)了基于寶馬7系（E65）的12缸6L氫氣/汽油雙燃料發(fā)動機(jī)……

2）國內(nèi)

我國氫發(fā)動機(jī)的研究開始于20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機(jī)燃?xì)浜腿細(xì)潆p燃料內(nèi)燃機(jī)等進(jìn)行了實驗研究。

浙江大學(xué)曾與日本武藏工業(yè)大學(xué)合作進(jìn)行液氫發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)、怠速和小負(fù)荷采用純氫氣運行，接近零排放；在中等負(fù)荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進(jìn)一步降低；在大負(fù)荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負(fù)荷的動力性。

北京理工大學(xué)對氫內(nèi)燃機(jī)的研究走在國內(nèi)前列，氫內(nèi)燃機(jī)研究課題組于2006年正式成立。孫柏剛教授帶領(lǐng)團(tuán)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。“十一五”期間與長安汽車集團(tuán)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(jī)內(nèi)容的研究。

2007年研制的國內(nèi)第一臺氫內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，在長安集團(tuán)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”。“氫程”搭載的是增壓中冷氫內(nèi)燃機(jī)，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達(dá)到汽油機(jī)的水平，效率上還比同排量的汽油機(jī)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(dá)230Km以上。截止到2013年，研制的樣車穩(wěn)定運行距離超過10,000公里。2018年北理工發(fā)布了目前國內(nèi)唯一的一套可以進(jìn)行氫燃料內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的專用試驗臺架，是國內(nèi)少有的能夠進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)整機(jī)測試的完整實驗平臺

發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)年只有車企“孤軍奮戰(zhàn)”氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)，存在儲氫導(dǎo)致的續(xù)航時間短、氫能技術(shù)設(shè)施不完善導(dǎo)致的加氫難、供應(yīng)鏈配套少等一系列問題，因此由車企發(fā)起的氫內(nèi)燃機(jī)革命似乎在2005年后經(jīng)歷了漫長的“雪藏期”。

直到近年才重新回歸各大車廠的視野：曼恩的第一臺氫氣內(nèi)燃機(jī)原型機(jī)已經(jīng)在實驗室的臺架上進(jìn)行測試，道依茨的氫內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)可供預(yù)定；豐田在去年6月推出世界上首輛氫內(nèi)燃機(jī)賽車后，于今年2月宣布開發(fā)氫燃料發(fā)動機(jī)，功率可達(dá)450馬力（約330kW）。

如果說彼時的氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)是各大車廠對于氫氣這種高熱值燃料的嘗試，那么在當(dāng)今全球綠色變革的大背景下，基于氫能的各路線動力解決方案的研發(fā)已經(jīng)變成了車企和內(nèi)燃機(jī)企業(yè)的迫切需求。

1）國內(nèi)

去年8月，工信部對以“關(guān)于鼓勵發(fā)展零碳排放氫氣發(fā)動機(jī)”為主題的建議作出答復(fù)，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(jī)納入其中予以支持。工信部將根據(jù)氫氣發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣情況，進(jìn)一步評估現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系的適應(yīng)性和差異性，提前布局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研，適時推動急需標(biāo)準(zhǔn)制定，有力支撐氫氣汽車科學(xué)合理發(fā)展。

去年12月，工信部印發(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?xì)廨啓C(jī)。

技術(shù)多樣化發(fā)展能夠最大程度保障氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向不發(fā)生嚴(yán)重偏離，因此國內(nèi)在積極推動燃料電池技術(shù)發(fā)展的同時，也同樣沒有放棄對氫內(nèi)燃機(jī)的關(guān)注。一些跡象表明，國內(nèi)對氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的探索正悄然興起。

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(jī)在研發(fā)總院試制所順利下線交付，并于當(dāng)月在北理工實現(xiàn)點火。該發(fā)動機(jī)基于中國一汽最先進(jìn)的第三代汽油機(jī)產(chǎn)品平臺自主研發(fā)，發(fā)動機(jī)排量2升，目標(biāo)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(jī)。在氫氣發(fā)動機(jī)方面，長城表示將于2025年推出氫氣發(fā)動機(jī)，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(tuán)自主研發(fā)的首款氫氣發(fā)動機(jī)點火成功。該發(fā)動機(jī)基于廣汽第四代發(fā)動機(jī)平臺自主研發(fā)，廣汽集團(tuán)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(jī)平穩(wěn)運行，熱效率可達(dá)44%。

2020年，玉柴集團(tuán)已經(jīng)完成了50%熱效率內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)研發(fā)工作。2021年12月，玉柴集團(tuán)在北理工發(fā)布中國首臺商用車燃?xì)浒l(fā)動機(jī)YCK05。該燃?xì)浒l(fā)動機(jī)采用高壓多點進(jìn)氣道噴射技術(shù)、高效低慣量渦輪增壓技術(shù)、氫氣專用SCR后處理、高效稀薄燃燒技術(shù)等多項先進(jìn)的專項技術(shù)，并對整機(jī)結(jié)構(gòu)、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化升級，攻克了燃?xì)浒l(fā)動機(jī)易回火、易爆震等技術(shù)難題，熱效率達(dá)到42%，能廣泛應(yīng)用于公交、市政、環(huán)衛(wèi)、物流配送等場景。此外，面向重卡領(lǐng)域的YCK15N燃?xì)浒l(fā)動機(jī)預(yù)計將于在2022年上半年實現(xiàn)點火且穩(wěn)定運行。預(yù)計在2024年7月份商用車第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行前后，50%熱效率發(fā)動機(jī)將實行量產(chǎn)。

2）海外

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(jī)驅(qū)動的2027 8級臥鋪半掛車，相比同類型的柴油發(fā)動機(jī)車輛每年可減少二氧化碳排放144公噸。當(dāng)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(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)。

世界上第一輛氫內(nèi)燃機(jī)賽車就出自豐田手筆。

2021年5月21日開始的富士24小時耐力賽上，豐田將氫燃料電池量產(chǎn)車MIRAI的氫氣儲存罐裝進(jìn)豐田卡羅拉掀背版賽車中，發(fā)動機(jī)則是來自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3發(fā)動機(jī)，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(jī)將直接燃燒氫氣產(chǎn)生動力。

2021年7月，康明斯宣布開始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)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(jìn)一步探索先進(jìn)零碳技術(shù)發(fā)展的新路徑。

2021年9月，康明斯宣布其氫燃料內(nèi)燃機(jī)（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(jī)。

康明斯公司發(fā)動機(jī)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(jī)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(bǔ)充。”

近日，空客舉行新聞發(fā)布會，宣布其與 CFM 發(fā)動機(jī)公司（美國 GE 與法國賽鋒合資組建的發(fā)動機(jī)公司）合作開發(fā)和測試氫內(nèi)燃機(jī)。該項目的目標(biāo)是在 2026 年前開始使用空客 A380 飛機(jī)進(jìn)行飛行測試，以支持空客零排放項目的目標(biāo)。

A380 載裝 Passport 發(fā)動機(jī)的 H2 空中試驗機(jī)將在 2026 年底前試飛，這將使技術(shù)選擇在 2027 年前最終確定。空客第一架零排放飛機(jī)的配置將在本世紀(jì)末決定。空客正在研究三到四種配置，乘客在 100 到 150 人之間，航程在1800 到 3600 公里之間。每一種配置都與特定的技術(shù)選擇有關(guān)——一些與氫燃料電池有關(guān)，另一些與直接氫氣燃燒有關(guān)。

發(fā)展現(xiàn)狀

氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域展開布局的企業(yè)多以汽車零部件巨頭及車企為主。

原因在于：車用內(nèi)燃機(jī)作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸?shù)闹饕獎恿Γ媾R著雙碳目標(biāo)下新舊動能轉(zhuǎn)換的“大考”，大部分汽車零部件巨頭及車企均加快了技術(shù)探索的步伐，而集合了“發(fā)動機(jī)＋氫能”基因的氫內(nèi)燃機(jī)成為這些企業(yè)的重要突破點。

氫燃料發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)相似，車企和內(nèi)燃機(jī)企業(yè)可以發(fā)揮在內(nèi)燃機(jī)方面的技術(shù)優(yōu)勢，甚至保留整條內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈條，可以輕松地將氫內(nèi)燃機(jī)裝配到現(xiàn)有車輛系統(tǒng)中，大多數(shù)零部件和軟件可以保持不變。

因此，氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)推進(jìn)，對主機(jī)廠具備極大的吸引力。