氢燃料内燃机 vs 氢燃料电池 vs 燃油内燃机，谁更胜一筹？

关于氢能源技术路线有两条，大多数小伙伴们的第一反应应该就是氢燃料电池车。

氢燃料电池

燃料电池是一种能量转化装置，它将燃料的电化学能转化成电能。它类似于电池一样也是电化学发电装置，因此被称为燃料电池。对应的采用氢气作为燃料的燃料电池就是氢燃料电池。它可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应。因此反应过程既清洁，又高效。因为它不受传统发动机采用卡诺循环42%左右的热效率限制。氢燃料电池的效率可轻松达到60%以上。氢燃料电池的本质是一个发电装置，利用氢气和氧气产生电化学反应从而释放出电能和热能，在反应过程中生成水，在这个过程是完全脱碳的，同时也不会产生其他氮氧化合物。因此，与氢燃料内燃机相比，它更环保，更符合碳达峰、碳中和的需求。

↑氢燃料电池汽车示意图

氢燃料电池并不像火箭那样通过氢气和氧气燃烧的剧烈反应产生动能，而是通过催化装置将氢气中的吉布斯自由能释放出来。打个比方，石墨和钻石都是碳的存在形势。但是形成钻石需要高温和高压。因此这种形态转化就代表不同的吉布斯自由能。

吉布斯自由能是涉及熵和焓等理论的电化学能。是不是觉得很高深难懂？我们直接看动画吧。

↑氢燃料电池工作原理

氢燃料电池工作原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。

氢燃料电池工作原理

工作原理如图所示，氧气由进气格栅进入到燃料电池中，氢气通过储氢罐进入到燃料电池中，二者在燃料电池中发生反应，从而产生电能通过电机驱动汽车行驶。

简单来说就是电解水的逆反应。把氢气和氧气分别供给阳极和阴极，氢通过Pt催化剂生成氢离子，失去的电子通过外电路到达阴极，产生电能；与此同时，阳极侧的氢离子通过质子交换膜到达阴极与氧气反应生成水。看似简单的原理，实则并不是那么简单。

以直行单流道单体质子交换膜燃料电池为研究对象，借助于CFD软件的PEM模块对不同工作环境下（工作压力、工作温度和湿度）下的电池进行数值模拟，研究低电流密度条件下压力、温度和湿度对燃料电池性能的影响程度。

质子交换膜燃料电池的组成部分主要包括阳极集流板、阴极集流板、阳极气体流道、阴极气体流道、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层和质子交换膜，其中气体流道为单直行流道。

氢燃料电池的技术关键

↑氢燃料电池关键部件

对于氢燃料电池的商用来说，最大的挑战之一就是成本控制。燃料电池汽车目前的成本是普通汽车的5倍左右。其核心部件被称为质子交换膜。它能够将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换至负极和氧气进行反应产生水和热。相应的，质子交换膜的核心就是催化剂铂。而铂是一种贵金属，也就是通常婚戒的材料铂金。为了推动大规模商用，一方面必须减少催化剂的用量，另一方面是寻求低成本的替代材料。

氢燃料电池汽车的系统组成

↑氢燃料电池汽车系统组成（来自丰田）

氢燃料电池汽车，目前主流采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。其系统组成通常为燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。目前领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。同时类似动力电池需要电池管理系统BMS，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气，一般采用70MPa高压液氢储罐。

氢能源燃料电池对环境无污染，它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式，最典型的传统后备电源方案，燃烧会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程——当然这只是理想情况，生产氢的过程消耗大量能量，不太可能完全通过可再生能源产生，那样效率低成本高，不利于氢能源竞争。

氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。

氢燃料电池汽车市场应用如何

1.丰田集团氢燃料电池汽车案例

Mirai

↑丰田纯电动汽车和氢燃料电池汽车发展路线

目前全球有多家车企都推出了燃料电池车型，比如宝马、奔驰、现代、本田和丰田。其中丰田的发展更成体系更具规模化。如丰田的发展路线图提到的，丰田对于中低里程的应用主推纯电动汽车，并和国内的比亚迪及宁德时代展开了广泛合作。另一方面，针对长里程应用，丰田专注氢燃料电池汽车的开发。并且通过长期投入，丰田氢燃料电池汽车Mirai(图片)的售价已压低至40万量级。虽然仍然很昂贵，但已属业界标杆。

↑丰田氢燃料电池汽车Mirai

2019上海车展丰田特地辟出展位进行丰田氢燃料电池汽车Mirai的宣传。从丰田氢燃料电池汽车Mirai的剖面展示可以看到，燃料电池堆放置在车身中部驾驶座的下方。氢气储罐则在传统油箱的位置。与大部分的丰田混动车型相同，后备箱放置了配套的动力电池，动力电机和功率控制单元位于前舱。

↑丰田氢燃料电池汽车Mirai剖面展示

除了乘用车，丰田早在日本爱知世博会就商用了日野氢燃料电池大巴。最近丰田又展示了新一代氢燃料电池大巴SORA的技术细节。从SORA的剖面示意图可以看到多个氢气储罐被放置在大巴前部上方。同时燃料电池堆和动力电机电池等部件则位于大巴的后方。其中大量技术甚至部件复用自燃料电池乘用车Mirai。

↑丰田氢燃料电池大巴SORA剖面示意图

2.上汽集团氢燃料电池汽车案例

↑上汽大通氢燃料电池商用车G20FC剖面展示

相比丰田集团，在国内依托同济大学在氢燃料电池方面的长期研究，上汽集团走在了市场的前列。在2019上海车展上，上汽大通展示了氢燃料电池商用车G20FC。单次5分钟的氢气加注就可以行驶550公里。采用70MPa的高压液氢储罐放置在车辆后部下方，储量6.5kg。位于车身前部的燃料电池堆和动力电机可输出115kW的动力。

氢燃料内燃机

不知道大家有没有想过，直接把氢拿来烧？对的，想汽油柴油那样烧，这就是氢燃料内燃机（HICE）。

这种发动机跟普通燃油发动机一样，有吸气，压缩，做功以及排气四个冲程。虽然不是主流，但确实是量产过的，最让人熟知的就是当年宝马的Hydrogen 7项目。

宝马7系

啊，这不是E65的那代7系吗？已经15年前了。现在宝马还弄这玩意儿吗？宝马现在确实还在用氢燃料技术，但却是FCEV，而不是HICEV。那宝马为什么要放弃这种技术呢？这是我们今天要探讨的话题。

首先，我们跟燃油内燃机做一个直接对比。

第一，氢氧的燃烧只会产生水，但实际中，空气上还有氮气，在燃烧室内的高温下还是会产生氮氧化合物，但由于没有碳元素，因此没有碳排放。而燃油中一定是有碳元素与氢元素，因此氮氧化合物跟碳排放是不可避免的。

第二，鉴于氢气的特性，氢燃料内燃机可以使用很高的空燃质量比，最高可以达到180：1。而目前最高马自达Skyactiv-X也只不过是37:1。这样极度稀薄的燃烧可以减少燃料的使用，减少氮氧化合物的排放，但同时也带来动力不足。

马自达Skyactiv-X发动机

第三，氢气极度容易点燃，仅需要0.02MJ，而汽油则需要0.24MJ。虽然这有利于发动机稀薄燃烧，但由于氢气只需要一点能量就能点燃，这样会容易造成发动机的缺缸。而且发动机的点火也不太容易把握，在配气结构的设计上带来困难。

第四，氢气在点燃的时候迸发出的火焰要比汽油的快不少，不过这要是在空燃比比较低的时候才行。如果在180：1的空燃比下，火焰速度会比在50：1下慢不少。

第五，氢气有较高的自燃温度，大概有500摄氏度，相当于120的研究辛烷值（RON），而即使是99RON的汽油，也只是为280摄氏度。这就意味着能够有更高的压缩比，有利于更好的配气，有利于减少爆震。这里所带来的优点可以抵消掉一部分第三点所带来的劣势。

第六，氢气有极高的扩散性。说白了就是这些气体“跑得快”，这就意味着氢气在进入燃烧室后，能够以更快的速度把整个空间填充掉，从而实现均质燃烧，这也为发动机带来高效率，而汽油在均质燃烧上则需要花费很大的工夫。

当然啦，这个“跑得快”也有一个好处，就是发生漏气时，氢气可以快速逃脱，从而减少发生爆炸的可能。

丰田用子弹射击氢气罐来检测安全性

第七，氢气燃烧的火团拥有很小的淬熄距离。什么是淬熄距离呢？

简单来说火焰前沿与壁面间的距离，这个距离产生的原因是因传热、膨胀功将足够的能量或活化能分子从燃烧区域移开，这个距离的大小取决于燃料的选择，发动机做功情况，结构等多种因素。

正是由于氢气的淬熄距离短，火焰甚至可以通过未完全关闭的进气门回窜到进气歧管中，造成不理想的回火。不过短的淬熄距离还可以让整个燃烧室的燃料燃烧得更充分。

第八，由于氢气的密度低，导致了在燃烧室中具有较低的空燃体积比。而汽油由于是液体，所占的体积较小，因此有很高的空燃体积比。在既定空间下，空气越少，肯定是不利于燃料的燃烧的。特别是对于自然吸气发动机。

同时由于密度小，装载氢气的燃料罐必须要很大，这里不但占据了很多空间，还会影响车辆的外观。

列了八点，看下来氢燃料内燃机对比起燃油发动机也没有多大优势。

那对比起现在如火如荼的氢燃料电池呢？

首先说排放，前面讲到，HICE会产生氮氧化合物，而氢燃料电池由于只是，离子质子分离然后再与氧气结合的过程，因此副产品就只有水。

第二个就是效率的问题。HICE与普通内燃机热效率差不多，30%-40%，但氢燃料电池可以达到60%-70%，也就是说差不多两倍的效率。

这就带来了一个很现实的问题，就是氢气罐体积。既然HCIE只有FCEV的一半效率，那要达到相同的续航里程，HCIE的氢气罐必须要大一半。

但HCIE有一个看上去很好的地方，就是可以基于现有的发动机进行改进。比如前面说到的宝马Hydrogen 7就是基于原有760Li上的V12发动机改的，它既可以使用汽油，也可以使用氢气。但在氢燃料下的功率仅为汽油情况下的一半，里程也变成了三分之一，而且价格要高出不少。

鉴于氢燃料内燃机比下有余，比上不足的尴尬情况，而且当时全世界就5个加氢站，于是宝马象征性地生产了100台Hydrogen 7就完事了。

时至今日，全新的氢燃料电池车无论在性能上，还是价格上，都要远胜于当年的Hydrogen 7。最重要的是，加氢站比当年多了好几百倍！就这样，氢燃料内燃机慢慢淡出了人们的视线，氢燃料电池成为了主流。

氢燃料内燃机和燃油内燃机相比又有哪些优势呢？

燃烧与排放

氢气在燃烧过程中由氢气与空气参与燃烧而产生能量，燃烧产物以水为主，但由于空气中还含有氮气，因此在燃烧过程中还是会产生氮氧化合物，对环境仍旧有一定的影响，但没有碳元素，也就没有碳排放。而组成燃油的基本元素是碳和氢，还有少量氧、硫、氮等元素，因此在氮氧化合物和碳排放是不可避免的。

扩散性

氢气具有极高的扩散速度，氢气在进入燃烧室后，能够以很快的速度填充整个燃烧空间，这就意味着，以氢气作为燃料能够更好地实现均质燃烧，从而提高发动机地效率。而燃料油则不具备这方面的优势。

燃烧价值

汽油的能量密度为12500Wh/kg，但在实际中能用到的只有4000Wh/kg，而氢的能量密度约为33000Wh/kg，70MPa的储氢罐体积密度只有1/6.5。氢燃料的燃烧价值是非常高的，相当于是焦炭的4.5倍，酒精的3.9倍，汽油的3倍。

燃料密度

氢气的密度比较低，也就在燃烧室中具有较低的空燃体积比。而由于汽油是液体，所占的体积较小，所以具有很高的空燃体积比。在既定的空间内，空气越少，越是不利于燃料的燃烧的。同时也由于氢气由于密度小，装载氢气的燃料罐必须要很大，这里不但占据了很多空间，还会影响车辆的外观。

氢燃料内燃机

而同样以氢燃料作为动力的氢燃料电池，在和氢燃料内燃机相对比时又有何异同点呢？

续航

由于氢燃料内燃机就和氢燃料电池在产生能量的方式上有所差异，前者通过燃烧的方式，后者通过电化学反应的方式，使得两者的忧虑也有所差异，在消耗等量氢气的基础上，氢燃料电池会有更多的续航里程。

成本

氢气燃料电池在电化学反应过程中，所使用的催化层比较娇贵，因此对其中的过滤系统的要求也比较高，需要的氢气纯度一般腰子99.99%以上，也就使其成本更高。

以氢燃料作为动力是大势所趋，目前在车、船、飞机、电力系统、电网供电等方面已经开始应用和示范，未来将有更大的发展潜力、更多的发展机遇。

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