氢燃料发动机(以氢为燃料的发动机)

氢燃料发动机，是以氢气为燃料的内燃机，燃烧氢气产生动能，是一种新型的发动机，具有高效率、低污染、可持续等优点。

氢发动机自20世纪70年代开始发展，先后经历多个阶段。早期采用文丘里管进气方式；后基于顺序多点喷射和电子控制采取延迟喷射策略，功率仍低于同排量汽油机。为满足高要求，采用废气再循环防回火、催化转化器降氮氧化物排放、增压中冷改善功率损失，也采用缸内直喷技术。2021年12月14日，嘉定区企业发布中国首款采用“混动”氢循环的200kW高功率氢燃料电池发动机。2022年7月11日，丰田汽车等企业启动面向大型商用车氢发动机的基础研究，商讨商品化可能性。

氢燃料发动机空燃比控制、燃料喷射方式不同于天然气和汽油发动机。氢气更易燃，相比汽油发动机，氢燃料发动机更容易出现早燃。氢气的燃烧释放的热量比石油或天然气多，因此氢燃料发动机的效率更高。同时，氢气的燃烧只产生水，不会产生有害气体和固体废物，因此对环境的影响更小。氢具有点火能量小、火焰传播速率快、可燃极限宽、自着火温度较高等特点，因此在发动机上的工作方式有火花点火式、柴油引燃式两种。氢燃料发动机适用于各种车辆、船舶、飞机等运输工具，也适用于电力、工业、商业等领域。

发展历史

20世纪初，氢作为发动机的燃料才取得了一定的进展。1928年，德国齐伯林公司的“齐伯林号”飞艇首次载客横渡大西洋飞行成功。两次世界大战期间，德国因汽油短缺开展了氢内燃机研究，部分石油短缺国家也掀起了氢应用研究热潮。第二次世界大战结束后，加拿大学者金（King.R.O）和兰特（Rand,M）开展了活塞内燃机燃氢技术研究；英国学者里卡多（Ricardo）和伯斯托尔（Burstoll）耗时20年深入研究氢发动机的燃烧及工作过程，得出了一系列有价值的结论。此外，鲁多夫・埃伦（Rudolph Erren）首次在氢发动机中采用内部混合气形成方式，通过小喷嘴将氢直接喷入气缸，并保留原有液体燃油供给系统，实现了氢、液体燃料及混合燃料的灵活切换，且无需停机。

20世纪60年代，苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所利用汽车发动机开展了汽油与氢的燃用对比试验，同时研究了氢气改装的结构方案，试验取得成功，改用氢燃料后发动机热效率提升、热负荷减轻。1972年，通用汽车汽车（General Motors）公司试车场举办城市交通工具大气污染最小化比赛，大众汽车（Volkswagen）公司的氢燃料汽车夺得冠军，其废气清洁度甚至优于吸入发动机的城市空气。同年，美国LASL将一辆别克牌轿车改装为液氢汽车，搭载增压六缸四冲程内燃机，单次充装液氢可行驶274公里；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，充装一次液后行驶50274km。1973年，第一次石油危机爆发，日本政府由此制订了“阳光计划”，开始了氢能技术研究。

1974年3月，首届“氢能经济利用会议”在美国迈阿密召开，来自30多个国家的700余人参会，会后国际氢能学会（IAHE）成立，负责推动全球氢能事业的发展与交流，此后每两年举办一次世界性氢能会议。同年，日本武藏工业大学与日产汽车公司（Nissan）公司开启合作，研制“武藏1号”氢燃料汽车，后续几乎每届世界氢能大会均有新品展出。

1975年后，美国政府开始制定氢能研究规划，1976年成立氢能协调中心并提供政府资助，1978年相关研究经费达4200万美元；同年，欧洲共同体在比利时召开会议，全面规划协调氢能的研究与利用工作。1984年，我国成功发射使用液氢燃料的通讯卫星运载火箭，迈出了氢能应用的重要一步。1986年，近400名世界科学家齐聚奥地利维也纳，参加“21世纪最重要的能源学术讨论会”，瑞典科学家奥洛夫・戴克斯罗姆展示了利用风力发电水电解制氢、替代汽油驱动汽车的研究成果。

1990年，日本武藏工业大学与日产汽车公司（Nissan）公司联合研制的“武藏8号”液氢发动机汽车在第八届世界氢能会议（美国夏威夷）上展出，展现了液氢汽车研发的新突破。1993年，日本推出“新阳光计划”（1993-2020年），投入3.5亿美元用于氢能开发与应用，同时启动30亿美元氢能发电计划，建立“氢能利用国际洁净能源系统”，项目累计耗资达3000亿日元。

1996年，德国奔驰（Benzn）汽车公司和巴戈利亚汽车厂组建了水分解制氢燃料汽车队，开展氢燃料公共汽车试验研究，由MAN公司制造的首批氢燃料公共汽车于当年复活节后在德国戈利亚州埃尔朗根（Erlangen）市投入运行，德国为此每年投资5000万马克；同年6月，第十一届世界氢能会议在德国斯图加特召开，宝马汽车（BMW）公司展出计算机控制的新式氢能汽车，并称其为“人类最终使用的汽车，是汽车发展史上的里程碑”，标志着氢能进入规划、开发、研究与应用的新时期。此外，斯图加特大学、德国宇航所与奔驰汽车公司联合研制的奔驰F100液氢汽车，与日本武蔵大学系列液氢汽车一同代表了当时世界液氢汽车研究的最高水准。

2000年6月，第十三届世界氢能会议首次在我国北京举行，32个国家的400多名专家学者参会，会议围绕制氢、储氢、输氢、氢能规划及燃料电池、纳米材料储氢、氢燃料发动机等应用领域展开深入讨论。同年，清华大学、中国科学院沈阳金属材料研究所联合全国相关高校及科研院所申报的国家“九七三”重大基础研究项目“氢能的开发和应用”获得批准。

2006年7月，沃尔沃汽车公司正式宣布，它们已经成功研制出有利于环保的高性能多燃料车，能同时使用石化燃料与清洁燃料。这种新型汽车可用5种不同的燃料进行驱动。这5种燃料包括:氢甲烷混合燃料、生物甲烷、天然气、乙醇汽油和普通汽油。

2012年，欧委会第七研发框架计划资助的，由德国宝马集团牵头、欧盟4个成员国11家企业和科研机构参与的,汽车氢燃料发动机大型研发项目,就是利用氢气替代碳氢燃料(汽油或柴油)的世界先行者。2014年6月，丰田汽车制订了“氢能与燃料电池战略路线图”，2017年12月确立了“氢能源基本战略”，为氢能社会奠定了基础。

2019年，沙特阿美与空气产品公司（AirProducts）携手合作，在空气产品公司位于达兰科技谷科学园的新技术中心启用了沙特国内首座加氢站。该示范加氢站为首批六辆丰田Mirai燃料电池电动汽车（FCEV）供应高纯度压缩氢气。2020年9月，沙特阿美与日本能源经济研究所（IEEJ）和沙特基础工业公司（SABIC）合作，在日本经济产业省的支持下，成功完成了蓝氨的生产及运输示范项目。40吨高等级蓝氨由沙特运抵日本，用于零碳发电。这是全球首个蓝氨供应链示范项目，具有重要里程碑意义，也是实现碳循环经济（CCE）的众多路径之一。

工作原理

氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应。电池含有正负两个电极，分别充满电解液，两个电极被具有渗透性的薄膜隔开。氢气由燃料电池的正极进人电池，氧气(或空气)由负极进人电池。催化剂可使正极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron)。质子被吸引到薄膜的另一边，电子不能穿过质子交换膜，只能经过外部电路到达燃料电池负极，从而在外电路中产生电流。在负极催化剂作用下，质子、电子及氧发生反应，形成水分子。由于供应给电池负极的氧可以从空气中获得，因此只要不断地给电池正极供应氢，负极从空气中获取氧气，并及时把发电后产生的水蒸气带走，就可以不断地提供电能。

主要分类

由于氢燃料与传统的汽油机、柴油机的燃料不同，因此需根据氢燃料的特点，对燃料的供给系统及燃料组织、燃烧过程相关的发动机结构和控制系统做相应的改进。根据氢供给方式不同，可以分为进气歧管喷射氢气和缸内直喷氢气两种。

进气歧管喷射氢气

进气歧管喷射氢气主要通过电控多点气体喷气系统在进气歧管处喷射氢气，通过控制高速电磁阀的开关时间，可以实现每个气缸定时定量的燃料喷射，从而快速精确地进行空燃比的控制，使发动机具有良好的瞬态响应。这种混合气形成方式的氢燃料发动机对传统发动机结构改动不大，混合气形成和燃烧较易组织，混合气形成质量高，但是存在一定的充气效率损失，使得发动机工作的混合气浓度范围变窄，同时也限制了发动机功率输出，导致发动机动力性能下降并且在高负荷、高压缩比下易发生早燃、回火等异常燃烧。

缸内直喷氢气

缸内直喷氢气是指氢气燃料在进气门关闭后喷射进入缸内，根据发动机结构不同，有低压氢气喷射和高压氢气喷射两种方式。缸内高压喷射对于空气充量几乎没有影响，提高了发动机的进气效率，克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，同时降低了发动机爆震的可能性，但发动机的氮氧化物排放控制比较困难，增加了排放控制的成本。此外，氢气喷射阀长期暴露在高温燃气中，对喷射阀的可靠性有很大的挑战。与常规液体燃料发动机和其他气体燃料发动机相比，氢发动机需要重点解决的问题包括爆震燃烧、回火、功率密度提升以及氮氧化物排放控制等问题。

技术优点

(1)氢燃料电池对环境无污染。氢燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过光伏发电、风能发电等用电解法产生的，整个循环就是不产生任何有害物质排放的过程。

(2)氢燃料容易获得。氢燃料不用像煤炭、石油那样需要钻探、开矿，用电解法可以从水中获得，工艺简单。

(3)贮氢材料容易获得。氢的化学特性活跃，它可同许多金属或合金化合某些金属或合金吸收氢之后，会形成一种金属氢化物。有些金属氢化物的氢含量很高，甚至高于液氢的密度。在一定温度条件下金属氢化物会分解，把所吸收的氢释放出来，这就构成了一种良好的贮氢材料。

(4)燃料电池运行安静。运行时噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使燃料电池也可以在室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方安装。

(5)效率高。燃料电池的发电效率可以达到60%~80%，是内燃机的2~3倍。这是因为燃料电池直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能的中间变换，省去了转换过程的能量损耗。

(6)运行费用低。国内试运行的一批氢燃料电池车，最大输出功率高达60kW，燃料消耗仅为每百公里1.2kg氢气，大约相当于4L93号汽油。

(7)可以制造小型化清洁能源电池。一种新型电池是通过氢化钙和水之间发生的化学反应产生电力，一块体积不到3cm3的燃料电池可以产生5Wh的电力。可广泛用于包括智能手机在内的多种电子设备，或是在紧急情况下提供后备电力供应。

技术难题

电极材料制造

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。

隔膜材料制造

燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜是氢燃料电池生产的重大瓶颈，长期被国外企业垄断。现在国内已经有企业解决了该问题，并具有一定的量产能力。

氢气供应网络

内燃机汽车可以到处跑而不用担心没有油的问题，因为到处都是加油站，加油也非常快捷方便，十几分钟就可以解决问题。推广使用氢燃料电池汽车不但要在汽车发动机方面下功夫解决技术问题，且还需在全国建立氢供应站，布点密度最起码要达到现在的加油站布点的密度，当然也可以与加油站、充电站共建。在没有解决行驶中氢气供应的问题之前车辆是不敢上路的。在欧洲、荷兰、丹麦、瑞典、法国、英国与德国六国已经达成共同开发推广氢能源汽车的协议，各国将共同建设一个欧洲气设施网络并协调能源传输。

使用安全问题

氢气在化学元素周期表里面排在第1位，化学性质非常活跃，极易发生火灾爆炸问题，石油炼化行业加氢工序常常发生大爆炸事故。氢气对钢铁会产生腐蚀作用，称为“氢爆”，所以对氢气容器、氢燃料电池壳体材料的选择都要进行深入研究。

价格和质量

氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重200多公斤，贵5倍以上。

协调使用问题

与锂离子电池和超级电容电池的协调使用问题。在寒冷地区，氢燃料电池启动需要使用耐低温锂离子电池。在城市道路行驶，因为人流和红绿灯的影响，使得氢燃料电池汽车必须变功率行驶，需要使用超级电容电池来提供大功率输出和回收制动时的汽车动能。

成本问题

成本问题依然是阻碍氢燃料电池汽车发展的最大瓶颈，氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场难以承受的。