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8月10日,工業(yè)和信息化部(工信部)表示的應(yīng)對(duì)建議5736號(hào)第四屆全國(guó)人民代表大會(huì)(NPC),它將積極配合一個(gè)氫能源發(fā)展戰(zhàn)略的制定和研究,促進(jìn)氫內(nèi)燃機(jī)的集成支持它。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)引起了市場(chǎng)的關(guān)注。氫內(nèi)燃機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)、高效的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，它通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，而不需要燃燒。氫發(fā)動(dòng)機(jī)的原理與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相同。它是一種通過(guò)燃燒反應(yīng)氣體釋放化學(xué)能，通過(guò)氣體膨脹做功的動(dòng)力設(shè)備。氫發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率受卡諾循環(huán)的限制，燃料效率不能超過(guò)氫燃料電池。
圖1 燃料電池（左）發(fā)動(dòng)機(jī)（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(tái)氫內(nèi)燃機(jī)。1972年，在美國(guó)舉行的城市交通空氣污染最小競(jìng)賽中，大眾公司研發(fā)的氫燃料汽車(chē)獲得第一名。1974年，日本武藏工業(yè)大學(xué)和日產(chǎn)公司開(kāi)發(fā)了“武藏1號(hào)”氫內(nèi)燃機(jī)車(chē)，采用液氫儲(chǔ)存、氣缸高壓噴射、進(jìn)口低壓噴射，并在每屆世界氫能大會(huì)上介紹氫能內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的最新研究成果。1979年，寶馬汽車(chē)集團(tuán)開(kāi)發(fā)出了第一輛實(shí)現(xiàn)了上路的氫燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)，并在隨后的時(shí)間里推出了多款系列氫燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)。2001年，寶馬集團(tuán)的寶馬745H車(chē)型在法蘭克福車(chē)展上亮相。2004年，以寶馬760I 6.0L V12汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的寶馬H2R在法國(guó)的高速試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。該車(chē)創(chuàng)下了9項(xiàng)速度紀(jì)錄，充分展示了氫燃料汽車(chē)的巨大潛力。2007年，寶馬推出了世界上第一輛氫動(dòng)力汽車(chē)——?dú)?系列。
2004年，福特公司研發(fā)的混合動(dòng)力汽車(chē)采用了氫內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源。2006年，氫能內(nèi)燃機(jī)v-10發(fā)動(dòng)機(jī)投產(chǎn)。2007年，它開(kāi)發(fā)了一款氫燃料巴士。2007年，中國(guó)長(zhǎng)安汽車(chē)集團(tuán)與北京理工大學(xué)進(jìn)行了氫燃料汽車(chē)的合作研究，開(kāi)發(fā)了PFI氫燃料汽車(chē)，滿足了道路行駛的要求。截至2013年，已開(kāi)發(fā)樣車(chē)穩(wěn)定行駛里程超過(guò)1萬(wàn)公里。2021年5月12日，中國(guó)一汽紅旗氫能發(fā)動(dòng)機(jī)成為中國(guó)品牌博覽會(huì)的焦點(diǎn)對(duì)象之一。
圖2 一汽紅旗
氫燃料電池技術(shù)早于氫引擎。早在1839年，英國(guó)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(jì)50年代，培根作為先驅(qū)者，開(kāi)始對(duì)燃料電池進(jìn)行基礎(chǔ)研究。隨著美國(guó)航天計(jì)劃采用燃料電池作為其能源供應(yīng)系統(tǒng)，燃料電池逐漸引起人們的關(guān)注并取得了積極的進(jìn)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(shì)，國(guó)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(wú)噪音、續(xù)航能力強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，剛好滿足軍事作戰(zhàn)潛艇隱身和續(xù)航的要求。由德國(guó)Horvac公司開(kāi)發(fā)的212A型和214型燃料電池潛艇代表了燃料電池技術(shù)在潛艇上成功應(yīng)用的最高水平。
在民用領(lǐng)域，美國(guó)的哈里?卡爾?伊里克(Harry Carl Ihrig)將艾利斯-查默斯(Allis-Chalmers)的拖拉機(jī)改裝成由燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，可產(chǎn)生15千瓦的電力。這臺(tái)拖拉機(jī)也成為了世界上第一輛燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。在美國(guó)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(qū)動(dòng)的叉車(chē)和一輛高爾夫球車(chē)。直到1966年，通用汽車(chē)才開(kāi)發(fā)出第一輛真正的燃料電池汽車(chē)?；贕MC handdivan，所有的燃料電池組件和儲(chǔ)氫罐都被放置在面包車(chē)的后部，而面包車(chē)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(tái)燃料電池拖拉機(jī)
中國(guó)的燃料電池汽車(chē)研究將于1999年在清華大學(xué)啟動(dòng)。2001年，清華大學(xué)用一個(gè)15千瓦的反應(yīng)堆組裝了一輛小巴。2001年，中國(guó)科技部啟動(dòng)了燃料電池客車(chē)和燃料電池汽車(chē)項(xiàng)目。燃料電池大客車(chē)由清華大學(xué)牽頭，燃料電池汽車(chē)由同濟(jì)大學(xué)牽頭。2008年，清華大學(xué)在北京奧運(yùn)會(huì)期間部署了三輛燃料電池公交車(chē)，之后又為2010年上海世博會(huì)提供了三輛公交車(chē)。
目前，許多省市都有氫燃料電池公交車(chē)的測(cè)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(chē)FCX Clarity。
雖然本田已經(jīng)宣布停止生產(chǎn)新車(chē)型，但在最近的股東大會(huì)上表示，將繼續(xù)開(kāi)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(chē)“Mirai”，中文翻譯為“未來(lái)”，真正實(shí)現(xiàn)了燃料電池汽車(chē)的量產(chǎn)。2020年12月9日，豐田繼續(xù)推出第二代“未來(lái)”，大大提高了燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程和功率密度，有力推動(dòng)了燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。
總之，氫燃料電池和氫發(fā)動(dòng)機(jī)并不是新技術(shù)。它們已經(jīng)被研究了近兩個(gè)世紀(jì)，但時(shí)間和市場(chǎng)決定了哪些技術(shù)會(huì)發(fā)光。
當(dāng)然，技術(shù)也是符合時(shí)代的，以顯著的優(yōu)勢(shì)在那個(gè)時(shí)代贏得了時(shí)代和市場(chǎng)的青睞。例如，在20世紀(jì)，電動(dòng)汽車(chē)和燃?xì)馄?chē)相互競(jìng)爭(zhēng)，但燃?xì)馄?chē)在競(jìng)爭(zhēng)中勝過(guò)了電動(dòng)汽車(chē)，因?yàn)槿細(xì)馄?chē)具有里程長(zhǎng)、加油時(shí)間短等顯著優(yōu)勢(shì)。
近十年來(lái)，在節(jié)能減排政策的支持下，電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)始重新進(jìn)入市場(chǎng)。然而，電動(dòng)汽車(chē)只是一種高效利用電能的工具，僅僅依靠電動(dòng)汽車(chē)是不可能建立一個(gè)低碳甚至無(wú)碳社會(huì)的。即使考慮到一些專(zhuān)家批評(píng)電動(dòng)汽車(chē)的碳轉(zhuǎn)移，它們是否能減少排放仍是有爭(zhēng)議的。一個(gè)真正的碳中和社會(huì)需要建立新能源。國(guó)家的長(zhǎng)期能源發(fā)展戰(zhàn)略是建設(shè)以可再生能源生產(chǎn)為基礎(chǔ)的氫社會(huì)，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)碳社會(huì)的轉(zhuǎn)型。氫燃料電池和氫發(fā)動(dòng)機(jī)作為其中的應(yīng)用場(chǎng)景將逐漸凸顯到重要的地位。
氫燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)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(wèn)題，就沒(méi)有必要逐步淘汰燃料動(dòng)力設(shè)備。因此，氫燃料電池和氫發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保和燃料來(lái)源的發(fā)展。由于氫發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，氫發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)上的研究似乎比氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究還要早，但為什么進(jìn)入市場(chǎng)這么慢呢?一主要是氫能配套設(shè)施不完善(氫化不方便，氫氣價(jià)格過(guò)高)。
但是，在目前國(guó)家發(fā)展氫能的時(shí)代，這將不再是一個(gè)限制。氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以充分利用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)行業(yè)基礎(chǔ)，但由于氫燃燒特性的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)，氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)比傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更難!傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在氫領(lǐng)域的使用，需要克服的技術(shù)難點(diǎn)主要是早期燃燒、爆燃和回火三個(gè)方面，如表1所示。雖然國(guó)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(guān)技術(shù)仍處于研發(fā)階段。目前，用于汽車(chē)的氫燃料電池相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，主要是因?yàn)榕涮椎漠a(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)還處于薄弱階段。
表1 氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn) 來(lái)源：楊敏敏， 氫內(nèi)燃機(jī)燃燒早燃回火問(wèn)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(jìn)入鋼瓶時(shí)，氫在鋼瓶中所占的氣體量是汽油的15 ~ 30倍左右，因此會(huì)導(dǎo)致效率下降。此外,氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率不高,即氫不耐燒,當(dāng)寶馬發(fā)起于2007年氫能7系氫發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車(chē)消費(fèi)3.7公斤/ 100公里,和燃料電池轎車(chē)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(shuō)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(huì)產(chǎn)生氮氧化物污染環(huán)境，無(wú)法達(dá)到氫燃料電池的100%環(huán)保。最后，氫會(huì)導(dǎo)致金屬的氫脆，影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是成本。目前，一個(gè)100kW的氫燃料電池反應(yīng)堆(原型)造價(jià)約50萬(wàn)元。雖然小濤的報(bào)價(jià)震驚業(yè)界，但當(dāng)訂單量超過(guò)1萬(wàn)臺(tái)時(shí)，只需要1199元/kW，反應(yīng)器成本約12萬(wàn)元。目前國(guó)產(chǎn)100kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格在6萬(wàn)元左右，而氫發(fā)動(dòng)機(jī)的成本要高出15%左右，約6.9萬(wàn)元。
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