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8月10日,工業和信息化部(工信部)表示的應對建議5736號第四屆全國人民代表大會(NPC),它將積極配合一個氫能源發展戰略的制定和研究,促進氫內燃機的集成支持它。氫燃料發動機引起了市場的關注。氫內燃機是氫燃料電池系統嗎?有什么區別呢?讓我們做一些基本的修飾。
氫燃料電池和氫氣發動機的工作原理及其發展
如圖1所示，氫燃料電池是一種先進、高效的能量轉換設備，它通過化學反應將燃料中的化學能直接轉化為電能，而不需要燃燒。氫發動機的原理與燃油發動機相同。它是一種通過燃燒反應氣體釋放化學能，通過氣體膨脹做功的動力設備。氫發動機的能量轉換效率受卡諾循環的限制，燃料效率不能超過氫燃料電池。
圖1 燃料電池（左）發動機（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氫內燃機。1972年，在美國舉行的城市交通空氣污染最小競賽中，大眾公司研發的氫燃料汽車獲得第一名。1974年，日本武藏工業大學和日產公司開發了“武藏1號”氫內燃機車，采用液氫儲存、氣缸高壓噴射、進口低壓噴射，并在每屆世界氫能大會上介紹氫能內燃機汽車的最新研究成果。1979年，寶馬汽車集團開發出了第一輛實現了上路的氫燃發動機汽車，并在隨后的時間里推出了多款系列氫燃發動機汽車。2001年，寶馬集團的寶馬745H車型在法蘭克福車展上亮相。2004年，以寶馬760I 6.0L V12汽油發動機為基礎的寶馬H2R在法國的高速試驗場進行了測試。該車創下了9項速度紀錄，充分展示了氫燃料汽車的巨大潛力。2007年，寶馬推出了世界上第一輛氫動力汽車——氫7系列。
2004年，福特公司研發的混合動力汽車采用了氫內燃機作為動力源。2006年，氫能內燃機v-10發動機投產。2007年，它開發了一款氫燃料巴士。2007年，中國長安汽車集團與北京理工大學進行了氫燃料汽車的合作研究，開發了PFI氫燃料汽車，滿足了道路行駛的要求。截至2013年，已開發樣車穩定行駛里程超過1萬公里。2021年5月12日，中國一汽紅旗氫能發動機成為中國品牌博覽會的焦點對象之一。
圖2 一汽紅旗
氫燃料電池技術早于氫引擎。早在1839年，英國人威廉·羅伯特·格羅夫就首次提出了燃料電池的基本原理。20世紀50年代，培根作為先驅者，開始對燃料電池進行基礎研究。隨著美國航天計劃采用燃料電池作為其能源供應系統，燃料電池逐漸引起人們的關注并取得了積極的進展。在軍事方面，氫燃料電池已經成功地用于軍事潛艇。
由于潛艇具有隱蔽性和威懾性的優勢，國防工業十分重視其發展。氫燃料電池具有工作溫度低、無噪音、續航能力強的獨特優勢，剛好滿足軍事作戰潛艇隱身和續航的要求。由德國Horvac公司開發的212A型和214型燃料電池潛艇代表了燃料電池技術在潛艇上成功應用的最高水平。
在民用領域，美國的哈里?卡爾?伊里克(Harry Carl Ihrig)將艾利斯-查默斯(Allis-Chalmers)的拖拉機改裝成由燃料電池驅動的電動機，可產生15千瓦的電力。這臺拖拉機也成為了世界上第一輛燃料電池驅動的汽車。在美國空軍的幫助下，Alice-chalmers繼續了幾年的燃料電池研究。
他們組裝了一輛燃料電池驅動的叉車和一輛高爾夫球車。直到1966年，通用汽車才開發出第一輛真正的燃料電池汽車。基于GMC handdivan，所有的燃料電池組件和儲氫罐都被放置在面包車的后部，而面包車后部原本可以容納6人的空間，現在只能容納2人。它的續航里程也只有120英里。
圖3 世界上第一臺燃料電池拖拉機
中國的燃料電池汽車研究將于1999年在清華大學啟動。2001年，清華大學用一個15千瓦的反應堆組裝了一輛小巴。2001年，中國科技部啟動了燃料電池客車和燃料電池汽車項目。燃料電池大客車由清華大學牽頭，燃料電池汽車由同濟大學牽頭。2008年，清華大學在北京奧運會期間部署了三輛燃料電池公交車，之后又為2010年上海世博會提供了三輛公交車。
目前，許多省市都有氫燃料電池公交車的測試線路。2008年6月16日，本田正式推出了新一代氫氧燃料電池汽車FCX Clarity。
雖然本田已經宣布停止生產新車型，但在最近的股東大會上表示，將繼續開發新的氫燃料電池產品，并于2023年推出。2014年11月19日，豐田公司發布了新型氫燃料電池汽車“Mirai”，中文翻譯為“未來”，真正實現了燃料電池汽車的量產。2020年12月9日，豐田繼續推出第二代“未來”，大大提高了燃料電池汽車的續航里程和功率密度，有力推動了燃料電池汽車的發展。
總之，氫燃料電池和氫發動機并不是新技術。它們已經被研究了近兩個世紀，但時間和市場決定了哪些技術會發光。
當然，技術也是符合時代的，以顯著的優勢在那個時代贏得了時代和市場的青睞。例如，在20世紀，電動汽車和燃氣汽車相互競爭，但燃氣汽車在競爭中勝過了電動汽車，因為燃氣汽車具有里程長、加油時間短等顯著優勢。
近十年來，在節能減排政策的支持下，電動汽車開始重新進入市場。然而，電動汽車只是一種高效利用電能的工具，僅僅依靠電動汽車是不可能建立一個低碳甚至無碳社會的。即使考慮到一些專家批評電動汽車的碳轉移，它們是否能減少排放仍是有爭議的。一個真正的碳中和社會需要建立新能源。國家的長期能源發展戰略是建設以可再生能源生產為基礎的氫社會，真正實現無碳社會的轉型。氫燃料電池和氫發動機作為其中的應用場景將逐漸凸顯到重要的地位。
氫燃料電池和氫氣發動機的優缺點比較
如果不考慮化石燃料耗竭(能源安全)和環境污染的問題，就沒有必要逐步淘汰燃料動力設備。因此，氫燃料電池和氫發動機最大的優點是環保和燃料來源的發展。由于氫發動機和燃料發動機的結構相似，氫發動機在汽車上的研究似乎比氫發動機的研究還要早，但為什么進入市場這么慢呢?一主要是氫能配套設施不完善(氫化不方便，氫氣價格過高)。
但是，在目前國家發展氫能的時代，這將不再是一個限制。氫發動機可以充分利用現有內燃機行業基礎，但由于氫燃燒特性的獨特物理化學性質，氫發動機技術比傳統燃料發動機更難!傳統燃料發動機在氫領域的使用，需要克服的技術難點主要是早期燃燒、爆燃和回火三個方面，如表1所示。雖然國內一些企業和高校已經取得了一定的研究成果，但相關技術仍處于研發階段。目前，用于汽車的氫燃料電池相關技術已經逐漸成熟，主要是因為配套的產業基礎還處于薄弱階段。
表1 氫氣發動機的技術難點 來源：楊敏敏， 氫內燃機燃燒早燃回火問題
氫的密度很低，需要很大的空間才能以氣體的形式存在。據研究，在相同條件下進入鋼瓶時，氫在鋼瓶中所占的氣體量是汽油的15 ~ 30倍左右，因此會導致效率下降。此外,氫發動機的燃油效率不高,即氫不耐燒,當寶馬發起于2007年氫能7系氫發動機的汽車消費3.7公斤/ 100公里,和燃料電池轎車通常是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，續航里程為650公里，也就是說每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境中會產生氮氧化物污染環境，無法達到氫燃料電池的100%環保。最后，氫會導致金屬的氫脆，影響發動機的安全性能。
圖5 豐田第二代Mirai
與氫燃料電池相比，氫發動機最大的優勢是成本。目前，一個100kW的氫燃料電池反應堆(原型)造價約50萬元。雖然小濤的報價震驚業界，但當訂單量超過1萬臺時，只需要1199元/kW，反應器成本約12萬元。目前國產100kW柴油發動機的價格在6萬元左右，而氫發動機的成本要高出15%左右，約6.9萬元。
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