氢气发动机是什么？
8月10日,工业和信息化部(工信部)表示的应对建议5736号第四届全国人民代表大会(NPC),它将积极配合一个氢能源发展战略的制定和研究,促进氢内燃机的集成支持它。氢燃料发动机引起了市场的关注。氢内燃机是氢燃料电池系统吗?有什么区别呢?让我们做一些基本的修饰。
氢燃料电池和氢气发动机的工作原理及其发展
如图1所示，氢燃料电池是一种先进、高效的能量转换设备，它通过化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能，而不需要燃烧。氢发动机的原理与燃油发动机相同。它是一种通过燃烧反应气体释放化学能，通过气体膨胀做功的动力设备。氢发动机的能量转换效率受卡诺循环的限制，燃料效率不能超过氢燃料电池。
图1 燃料电池（左）发动机（右）的基本工作原理
早在1852年，慕尼黑的宫廷钟表匠就制造出了世界上第一台氢内燃机。1972年，在美国举行的城市交通空气污染最小竞赛中，大众公司研发的氢燃料汽车获得第一名。1974年，日本武藏工业大学和日产公司开发了“武藏1号”氢内燃机车，采用液氢储存、气缸高压喷射、进口低压喷射，并在每届世界氢能大会上介绍氢能内燃机汽车的最新研究成果。1979年，宝马汽车集团开发出了第一辆实现了上路的氢燃发动机汽车，并在随后的时间里推出了多款系列氢燃发动机汽车。2001年，宝马集团的宝马745H车型在法兰克福车展上亮相。2004年，以宝马760I 6.0L V12汽油发动机为基础的宝马H2R在法国的高速试验场进行了测试。该车创下了9项速度纪录，充分展示了氢燃料汽车的巨大潜力。2007年，宝马推出了世界上第一辆氢动力汽车——氢7系列。
2004年，福特公司研发的混合动力汽车采用了氢内燃机作为动力源。2006年，氢能内燃机v-10发动机投产。2007年，它开发了一款氢燃料巴士。2007年，中国长安汽车集团与北京理工大学进行了氢燃料汽车的合作研究，开发了PFI氢燃料汽车，满足了道路行驶的要求。截至2013年，已开发样车稳定行驶里程超过1万公里。2021年5月12日，中国一汽红旗氢能发动机成为中国品牌博览会的焦点对象之一。
图2 一汽红旗
氢燃料电池技术早于氢引擎。早在1839年，英国人威廉·罗伯特·格罗夫就首次提出了燃料电池的基本原理。20世纪50年代，培根作为先驱者，开始对燃料电池进行基础研究。随着美国航天计划采用燃料电池作为其能源供应系统，燃料电池逐渐引起人们的关注并取得了积极的进展。在军事方面，氢燃料电池已经成功地用于军事潜艇。
由于潜艇具有隐蔽性和威慑性的优势，国防工业十分重视其发展。氢燃料电池具有工作温度低、无噪音、续航能力强的独特优势，刚好满足军事作战潜艇隐身和续航的要求。由德国Horvac公司开发的212A型和214型燃料电池潜艇代表了燃料电池技术在潜艇上成功应用的最高水平。
在民用领域，美国的哈里·卡尔·伊里克(Harry Carl Ihrig)将艾利斯-查默斯(Allis-Chalmers)的拖拉机改装成由燃料电池驱动的电动机，可产生15千瓦的电力。这台拖拉机也成为了世界上第一辆燃料电池驱动的汽车。在美国空军的帮助下，Alice-chalmers继续了几年的燃料电池研究。
他们组装了一辆燃料电池驱动的叉车和一辆高尔夫球车。直到1966年，通用汽车才开发出第一辆真正的燃料电池汽车。基于GMC handdivan，所有的燃料电池组件和储氢罐都被放置在面包车的后部，而面包车后部原本可以容纳6人的空间，现在只能容纳2人。它的续航里程也只有120英里。
图3 世界上第一台燃料电池拖拉机
中国的燃料电池汽车研究将于1999年在清华大学启动。2001年，清华大学用一个15千瓦的反应堆组装了一辆小巴。2001年，中国科技部启动了燃料电池客车和燃料电池汽车项目。燃料电池大客车由清华大学牵头，燃料电池汽车由同济大学牵头。2008年，清华大学在北京奥运会期间部署了三辆燃料电池公交车，之后又为2010年上海世博会提供了三辆公交车。
目前，许多省市都有氢燃料电池公交车的测试线路。2008年6月16日，本田正式推出了新一代氢氧燃料电池汽车FCX Clarity。
虽然本田已经宣布停止生产新车型，但在最近的股东大会上表示，将继续开发新的氢燃料电池产品，并于2023年推出。2014年11月19日，丰田公司发布了新型氢燃料电池汽车“Mirai”，中文翻译为“未来”，真正实现了燃料电池汽车的量产。2020年12月9日，丰田继续推出第二代“未来”，大大提高了燃料电池汽车的续航里程和功率密度，有力推动了燃料电池汽车的发展。
总之，氢燃料电池和氢发动机并不是新技术。它们已经被研究了近两个世纪，但时间和市场决定了哪些技术会发光。
当然，技术也是符合时代的，以显著的优势在那个时代赢得了时代和市场的青睐。例如，在20世纪，电动汽车和燃气汽车相互竞争，但燃气汽车在竞争中胜过了电动汽车，因为燃气汽车具有里程长、加油时间短等显著优势。
近十年来，在节能减排政策的支持下，电动汽车开始重新进入市场。然而，电动汽车只是一种高效利用电能的工具，仅仅依靠电动汽车是不可能建立一个低碳甚至无碳社会的。即使考虑到一些专家批评电动汽车的碳转移，它们是否能减少排放仍是有争议的。一个真正的碳中和社会需要建立新能源。国家的长期能源发展战略是建设以可再生能源生产为基础的氢社会，真正实现无碳社会的转型。氢燃料电池和氢发动机作为其中的应用场景将逐渐凸显到重要的地位。
氢燃料电池和氢气发动机的优缺点比较
如果不考虑化石燃料耗竭(能源安全)和环境污染的问题，就没有必要逐步淘汰燃料动力设备。因此，氢燃料电池和氢发动机最大的优点是环保和燃料来源的发展。由于氢发动机和燃料发动机的结构相似，氢发动机在汽车上的研究似乎比氢发动机的研究还要早，但为什么进入市场这么慢呢?一主要是氢能配套设施不完善(氢化不方便，氢气价格过高)。
但是，在目前国家发展氢能的时代，这将不再是一个限制。氢发动机可以充分利用现有内燃机行业基础，但由于氢燃烧特性的独特物理化学性质，氢发动机技术比传统燃料发动机更难!传统燃料发动机在氢领域的使用，需要克服的技术难点主要是早期燃烧、爆燃和回火三个方面，如表1所示。虽然国内一些企业和高校已经取得了一定的研究成果，但相关技术仍处于研发阶段。目前，用于汽车的氢燃料电池相关技术已经逐渐成熟，主要是因为配套的产业基础还处于薄弱阶段。
表1 氢气发动机的技术难点 来源：杨敏敏， 氢内燃机燃烧早燃回火问题
氢的密度很低，需要很大的空间才能以气体的形式存在。据研究，在相同条件下进入钢瓶时，氢在钢瓶中所占的气体量是汽油的15 ~ 30倍左右，因此会导致效率下降。此外,氢发动机的燃油效率不高,即氢不耐烧,当宝马发起于2007年氢能7系氢发动机的汽车消费3.7公斤/ 100公里,和燃料电池轿车通常是1 ~ 1.5公斤/ 100公里。丰田最新的第二代Mirai总加氢能力为5.6公斤，续航里程为650公里，也就是说每100公里加氢不足1公斤。另外，空气中的氮在高温高压的工作环境中会产生氮氧化物污染环境，无法达到氢燃料电池的100%环保。最后，氢会导致金属的氢脆，影响发动机的安全性能。
图5 丰田第二代Mirai
与氢燃料电池相比，氢发动机最大的优势是成本。目前，一个100kW的氢燃料电池反应堆(原型)造价约50万元。虽然小涛的报价震惊业界，但当订单量超过1万台时，只需要1199元/kW，反应器成本约12万元。目前国产100kW柴油发动机的价格在6万元左右，而氢发动机的成本要高出15%左右，约6.9万元。