氢内燃机和氢燃料电池 将面临哪些困难

【卡车之家 原创】相信在大多数人的印象里或者惯性思维下，汽油和柴油发动机的发明时间、应用时间肯定要早于氢动力汽车，但是事实并非如此。

在距今200多年前的1806年，来自瑞士的工程师Fran?ois Isaac de Rivaz（里瓦斯先生）发明了一种使用氢气和氧气作为混合燃料的内燃机，这也是世界公认的内燃机出现的最早时间。但是不幸的是，里瓦斯先生设计的与这款发动机配套的汽车却以失败告终。

在这之后的1860年，比利时发明家埃蒂安·勒努瓦发明了一种三轮汽车，勒努瓦先生通过电解水产生氢气，并使用氢气为该车的单缸二冲程发动机提供动力。最终他售出了多辆这样的氢动力汽车，时间上远早于1885年戴姆勒先生发明的燃油发动机和1886年获得燃油发动机专利的奔驰先生。

虽然情况是这么个情况，但是我们不难提出一个非常“有建设性”的疑问，那就是“为什么氢动力汽车的出现时间比燃油汽车早了几十年，却没能成为今后的主流动力系统呢”。要想了解这个问题，我们得追溯着时间，慢慢往下说。

●  为什么氢动力没能登上主流舞台

其实在19世纪和20世纪交替阶段、也就是1900年左右，氢动力汽车和燃油汽车的市场认可度并没有差距很大，真正将燃油汽车推进主流大众生活中的，是大名鼎鼎的福特汽车的创始人——亨利·福特。

亨利·福特说，“我造的汽车将成为大多数人的第一辆汽车”，他确实做到了。1908年，装配汽油内燃机的“T型车”问世，售价950美元，而同时期的氢动力汽车的售价要远高于此，比如在1912年销量顶峰时的平均售价为1950美元。“T型车”在19年的生产过程中，售价一路低至280美元，可以说“让所有汽车生产商望其项背”。

在1918年第一次世界大战结束后，欧洲各国兴起了修建高速公路和城镇公路的浪潮，由于基础建设的完善，人们开车出行的距离也不断增加，这时燃油汽车“坚挺的续航里程”的优势更加突出。

并且在随后时间，世界范围内，石油资源被大量发现并开采，让燃油价格大幅下降，价格实惠、续航更长、油价便宜的燃油汽车真正主导了市场，而另一边的氢燃料汽车逐渐则淡出了大众的视野，但是它从来都没有完全消失。

比如在1941年，第二次世界大战中，由于战争造成的燃油短缺问题，需要维持前线物资运转的俄罗斯，被迫将200辆GAZ-AA型卡车改用为氢燃料发动机，并且在短时间内，完成了物资运送。

●  氢内燃机和氢燃料电池的探寻历程

1973年10月，阿拉伯人和以色列的第四次中东战争爆发，随着美国和一系列西方国家对以色列的强力支持，阿拉伯人的战争优势地位一度被逆转。为了打击以色列和其背后的西方国家，阿拉伯石油生产国决定把石油作为捍卫国家主权的战略武器，采取了减产、提价、禁运等波及全世界的石油斗争，由此发生了震撼世界的“1973年石油危机”。

对燃料短缺的担忧和同时期西方各国空气污染的严重事态，引起了世界范围内的科学家、活动家、领导人和研究人员对化石燃料开采、使用的担忧，这一系列因素成为了1970年代新能源汽车发展的又一强大驱动力，许多汽车生产商再一次把目光聚焦到了氢燃料汽车上，并开始实验并创建了氢储存系统。

●  氢燃料汽车的两大技术路线

氢燃料汽车主要分成了两大技术路线，一种是以燃烧氢气驱动发动机的汽车，被称为氢内燃机汽车，英文全称简写“HICEV”。氢发动机通过燃烧氢产生动力，与汽油、柴油发动机相同，他也同样使用燃油喷射系统，大体上可以称为汽油、柴油发动机所用系统的改进版本，除了燃烧少量机油（汽油发动机也是如此）外，氢发动机在使用时不排放二氧化碳。

另一种是氢燃料电池电动汽车，英文全称简写“FCEV”。它是通过氢与空气中的氧气发生化学反应产生电力，从技术角度来看，这种燃料电池可以定义为：用于能量转换的电化学装置。它将氢和氧的粒子转化为水，在此过程中产生电能，即直流电。与电池不同的是，燃料电池虽然可以提持续发电，但是不能储存电能，所以一般的氢燃料电池电动汽车还需要一组电池来储存电能，通过电机驱动车辆。

●  氢内燃机 (HICE) 技术

一、创新、探寻经典案例

2000年初期，日本马自达在旗下的RX-8车型中安装了量产的“转子发动机”，这是一种利用偏心旋转设计将压力转化为旋转运动的内燃机。其优势在于它们比内燃机更紧凑，重量更轻，这让它可以更容易地转化为使用氢气运转。

随后，马自达更新了“转子发动机”的设计，开发了“RENESIS氢转子发动机”，该发动机使用电子控制的氢气喷射器，可以适应作为汽油-氢混合动力运行。

开发高效氢发动机的工作并未就此停止。宝马为其限量生产的“Hydrogen 7”开发了双燃料氢-汽油内燃机，此次车型实验就是为了证明“氢气可以作为燃料使用”。在测试期间，该车设法以187英里/小时（301 公里/小时）的速度行驶，最后宝马公司声称他们的氢燃料汽车实现了二氧化碳零排放。

但是这种说法最后被美国环境保护署（EPA）驳回，指出该车仍因机油蒸发、燃烧而排放了部分碳物质。此外值得注意的是，该车使用氢气行驶时的效率极低，平均消耗为5.6英里/加仑（50升/100公里），这主要是由于汽油和氢之间的能量密度差异造成的。

二、技术的优势

1.点火能量低、效率高：与传统的汽油动力发动机相比，氢的点火能量较低，因为氢气与空气混合速度比汽油快得多，同时发动机中氢燃烧所使用了火焰温度更低，这让发动机可以在非常稀薄的混合气下运行，并且仍然可以快速燃烧。

2.成本相对较低：氢内燃机的整体技术和工艺体系配套比较完善，不管是汽油还是柴油内燃机，要改造成氢内燃机相对来说产业链是较为完整的，并且成本更低，更具备量产可能。

3.补能更快：由于氢气的体积能量密度低，因此需要以压缩气体的形式储存在加氢站的高压罐体中。给车辆直接加注氢气的时间基本与燃油车加油的时间差不多，基本在几分钟之内就能完成。这比一般需要半个小时以上才能充满电的纯电EV车型快很多。

三、目前面对的困难

正所谓“成也萧何，败也萧何”，氢内燃机的愿景十分美好，利用燃烧氢气驱动发动机，最终只排出水，但是氢内燃机目前存在诸多难以攻克的技术难点，这些难点都与氢本身的属性有直接关系。

1.氢脆现象：氢脆最显著地发生在铁、镍、钛、钴及其合金中，指的是金属材料因为吸收氢原子后而导致其延展性降低，从而发生开裂、断裂等现象，这种现象发生在氢内燃机中将导致发动机寿命大打折扣。

2.爆震难以控制：由于氢的燃烧速度非常快，导致氢内燃机在运转地过程中，经常出现爆震，这也会大幅降低发动机的可靠性。而且如果想让氢内燃机达到优秀的热效率，则需要运用氢气 缸内直喷技术，但是从现阶段来看，技术难度非常大。

3.没有合适的润滑系统：燃油内燃机采用机油进行润滑，但这在氢内燃机上会产生一些列“并发症”，因为氢燃烧后会产生水，水会直接造成机油乳化；另一方面，汽油、柴油内燃机采用了喷油技术，油本身就是有润滑效果的，但是氢没有任何润滑效果，这造成了零件之间的干摩擦，目前在等待基础材料学进步或者研制出独特的润滑剂之前，没有其它有效的解决方案。

●  氢燃料电池电动汽车 (FCEV)

一、创新、探寻经典案例

相比于氢内燃机汽车，氢燃料电池电动汽车的发展就显得更加一帆风顺。早在2000年初，戴姆勒-克莱斯勒、福特、本田、通用、马自达——这些大型汽车公司都开发了燃料电池概念车，其中一些已经交付给客户试用。

比如2003年，戴姆勒克莱斯勒的一支团队驾驶燃料电池“NECAR 5”在12天内穿越了美国，创下了160公里/小时的速度记录，证明了燃料电池汽车可以行驶这么远的距离。马自达于2006年初开始向日本的商业客户租赁燃料电池RX-8，使其成为第一家将氢燃料汽车交付给客户的制造商。

在商用车领域，也不乏氢燃料电池卡车运营的成功案例。现代汽车于2020年交付于瑞士20台氢燃料电池卡车，截止到2022年10月份，这批卡车在当地运行了超过500万公里，累计减少碳排放超过4000多吨。

现阶段，全球燃料电池电动汽车市场规模已突破10亿美元大关，预计未来几年年均增长率将达到38%左右。

三、目前面对的困难

似乎氢燃料电池汽车的未来图景是一片光明的，但是它距离市场终端用户之间也存在难以跨过鸿沟。

那就是氢燃料电池非常昂贵，因为首先氢燃料电池的阴极需要使用大量铂基催化剂，而“铂”是一种非常昂贵的金属，这大幅提高了氢燃料电池的造价，现阶段，这是阻碍氢燃料电池大规模商业化的关键原因所在。不过现在世界各国的科学家正在努力开发成本更低的燃料电池，推动氢燃料电池的市场应用。

●  制造、运输氢气 本就非常昂贵

就算抛开氢燃料汽车本身需要面对的技术难点，当下围绕氢气制造、运输方面，还仍然有诸多困难亟待解决。想要更深入了解这些问题，我们首先要清楚什么是“灰氢”“蓝氢”“绿氢”。

一、“制氢”面临的两大难题

1.如何“更绿色的”制造氢：“灰氢”是当今世界中的主流制氢方法，约占全球氢气产量的90%。虽然“灰氢”成本更低，但是整个制造过程会造成“更多碳排放”，这与氢燃料汽车“追求零排放”的愿景完全相悖。

2.如何“更低成本”制造氢：虽然“蓝氢”的制造过程也会产生温室气体，但由于使用了碳捕捉、利用与储存（CCUS）等先进技术，它实现了“低碳制氢”，可是随之带来的代价就是“昂贵”；需要使用太阳能、风能等来制造的“绿氢”，也面临着同样的问题，首先再生能源（太阳能、风能）的基础设施建设本就非常昂贵，其次它的制氢效率也有待提高。

二、氢气运输面临重重挑战

1.成本高昂：现阶段，氢气的运输方式仍然以高压气体运输为主，但是由于氢气的密度极低，导致运输的效率非常低，从而使运输的成本无法得到有效控制。另一方面液化氢技术复杂，无法通过传统运输手段大规模运输，成本非常高昂。

2.安全问题亟待解决：从元素层面来讲，氢是最轻最小的分子，在压缩运输的过程中，氢气会持续的从储存罐的壳体上渗透出来，而贵金属“铂”可以让氢无法渗透。但是在每一辆氢气运输罐车的内壁、每一个加氢站气库的内壁、每一辆氢燃料汽车的油箱内壁上，都铺上一层“铂金”，是不现实的。

另外，在密闭空间内，氢气泄漏的危险程度要高于汽油、柴油，它泄露会形成体积非常大的易燃气体云，一旦碰到明火，就会造成强烈的爆炸。

●  编后语

我们可以发现，目前在氢能源、氢燃料的诸多难题中，“成本高昂”“技术受限”这些词语出现的次数非常多，所以氢能源、氢燃料的大规模发展、应用很难靠一个或者几个企业来完成，它需要国家层面的重大投资和支持，可是“风险与收益”并存，“敢于第一个吃螃蟹的人”如果成功了，是勇士；如果失败了，就成了后来者脚下的垫脚石。

但是有句话这样说，“世上本无路，走的人多了便成了路”，回眸翻找人类历史中的伟大时刻，那里面矗立着一位又一位勇于当先的开拓者，他们前仆后继的身影，在岁月的长河中被冲刷成了永恒的丰碑。（文/刘振凡）