氢内燃机和氢燃料电池技术有何不同?各自优势都是什么?

氢内燃机和氢燃料电池技术有何不同?各自优势都是什么?

氢能作为清洁无碳的战略性新兴能源,是实现交通运输领域深度脱碳降碳,推动能源结构优化,助力实现碳达峰、碳中和的重要选择。今年全国两会期间,氢能及氢能源汽车成为了代表委员们频频提及的热词。

近年来,在国家利好政策的助力下,氢能产业尤其是氢燃料电池汽车产业得到了较快发展。与此同时,作为减碳技术路线的有效补充,被 冷落 多年的氢内燃机也开始受到行业的关注。那么,氢内燃机和氢燃料电池技术到底有何不同?两者各自的优势都是什么?

氢燃料电池汽车加速规模化落地

氢燃料电池汽车是依靠氢燃料电池电堆中的氢气与氧气发生电化学反应,产生电能驱动。与纯电动汽车相比,氢燃料电池汽车具有补能效率快、续驶里程长、低温性能优越等优势。

基于以上优势,氢燃料电池汽车在商用车领域更具竞争力,所带来的节能减排效果也更为明显。 新能源及智能网联汽车独立研究者曹广平指出,除技术优势外,由于商用车运行路线相对固定,更适合氢燃料电池的技术特点和产业基础,在加氢站布局、选址方面也相对容易。

作为氢能在交通领域应用的重要突破口,氢燃料电池汽车被认为是商用车加速脱碳进程、实现电动化转型的重要方向。2020年以来,国家层面有关鼓励氢能和氢燃料电池汽车发展的政策持续加码,地方政府也陆续出台支持政策。得益于此,氢燃料电池汽车发展迅速,从产业规模到成本成效都取得了显著提升。

公开数据显示,截至2020年底,我国氢燃料电池汽车累计保有量达7000多辆,分布在北京、上海、广州等36个城市进行示范运营。2021年12月,财政部等五部门发布《关于启动新一批燃料电池汽车示范应用工作的通知》,包括河北、河南、京津冀、上海和广东在内的5大城市群,正式开展氢燃料电池汽车示范应用。与此同时,随着氢燃料电池技术的不断进步以及效率大幅提升,氢燃料电池汽车应用领域进一步扩大,目前已在市内公交团体班车、物流运输、园区摆渡、城市管理服务用车等多个区域性应用场景开展规模化示范运营。

值得一提的是,本届北京冬奥会上,示范运营的氢燃料电池汽车超1000辆,车型覆盖公交车、团体班车等,是全球首次大规模投入氢燃料电池汽车作为接驳工具的重大尝试。罗兰贝格全球高级合伙人、亚太区商用车业务负责人方寅亮表示,上千辆氢燃料电池汽车在北京冬奥会上示范运行,将带动2022年氢燃料商用车销量的增长,促进氢燃料电池汽车规模化、商业化推广应用。

业内普遍认为,目前我国氢燃料电池行业正在进入市场、技术、资源卡位的发展蓄能关键期,未来氢燃料电池市场主体将从客车及中轻卡,逐步向长途旅游客运、省际重载运输、环卫、冷链等重点领域推广。另外,结合节能路线图2.0对氢燃料电池汽车的发展规划及展望,2020~2025年,氢能汽车市场处于发展初期,以政策驱动为主,车型应用侧重于中重卡领域;到2025年,氢燃料商用车年销有望达1万辆;随着基础设施加大普及、技术革新和成本下降,预计2025~2030年,氢燃料电池商用车将进入发展加速期,到2030年销量有望超10万辆。

氢内燃机具有广泛适用性

今年的《政府工作报告》中明确指出,推动能源转型,要立足资源禀赋,坚持先立后破,这也决定了汽车低碳发展需要多技术路线共存。长期来看,发展新能源汽车无疑是汽车行业实现 双碳 目标的重要路径,但中短期内,内燃机在道路交通运输中仍具有不可替代的重要作用。 双碳 目标的指引下,内燃机行业也正积极寻求创新发展与转型升级的机会。如今,在燃料电池技术热度不减之时,也有不少企业开始解锁氢能的另一种应用形式 氢内燃机。

氢能并不是燃料电池的专属,上世纪50年代,内燃机领域就已开始将氢能作为燃料进行应用研究。 内燃机行业专家魏安力表示,氢内燃机与燃油车相似,只不过把燃料变成了氢气,发动机与此前的汽油发动机、天然气发动机有共通之处。

在魏安力看来,氢内燃机更具成本和推广优势。内燃机将氢作为燃料,一方面具有多种燃料适应性,可以使用纯氢为燃料,也可以和甲醇掺烧,有效降低对石油依赖;另一方面,可以使内燃机资源得到最大化利用,延长生产装备生命周期,氢内燃机保留了传统内燃机的主要架构和系统,不需要重新构建产业链,其技术实现的难度和成本投入远小于燃料电池。

天津大学教授姚春德告诉记者: 从使用角度来看,燃料电池需要吃 细粮 ,要求氢气的纯度达到99.99%。而氢内燃机则没那么 娇贵 ,对氢气的纯度没有特别要求,而且在高负荷区具有较高的综合效率。对于承担货物运输的中重卡来说,氢内燃机是更经济且更高效的选择。

今年全国两会上,全国人大代表、广西玉柴机器股份有限公司新品试制装配工段工段长许燕妮也提出,氢内燃机成本低、加氢快,而且无里程焦虑,具有在商用车全领域应用的潜力。目前,氢内燃机已成为发动机行业落实 双碳 目标的重要路径之一。

对于氢内燃机未来的应用前景,国内外企业都比较看好。欧洲几乎所有的主流商用车企业都在关注或已开始对氢发动机展开可行性研究。丰田也在去年宣布,将氢燃料发动机安装在基于丰田卡罗拉运动版的赛车上。与此同时,我国的氢内燃机研发也取得了较大进展和突破。在乘用车领域,一汽集团首台氢能发动机成功点火;在商用车领域,基于汉马科技13L天然气发动机的AVL氢气发动机已进入研究阶段。全国人大代表、吉利商用车集团首席科学家刘汉如也表示,国内汽车及内燃机企业已开始着手氢内燃机的性能样机开发,很快就将进入到样车开发阶段。

北京理工大学教授孙柏刚认为,综合成本、性能、可靠性等因素来看,氢内燃机相较燃料电池更具优势。氢内燃机技术符合安全、可持续、用得起三项指标,且已经得到政府相关部门的高度关注,其未来的发展前景更为广阔。

实现商业化依然任重道远

在业内专家看来,作为氢能汽车的两个发展方向,氢内燃机与氢燃料电池技术并不冲突,两者在商用车领域均具有较为广阔的发展前景,但同时也都面临着成本高、配套设施短缺、缺乏完善顶层设计以及产业链薄弱等诸多挑战。

目前来看,购置、运营乃至车辆全生命周期成本优化,是氢能商用车进入发展快车道的关键。但氢气的储存和运输,制氢、注氢的安全问题,以及建设加氢站的高昂成本,都成为推广氢燃料电池汽车和氢内燃机车的障碍。特别是对于氢燃料电池汽车来说,仅是电池和储氢系统的成本就占到整车的六成以上。若电堆成本、加氢站和氢气运输成本无法降到合适的价格区间,就难以进行大规模推广。

在接受记者采访时,姚春德表示,当核心技术难题被攻克,基础设施建设更完备,才有可能使氢能产业链各环节成本降低,推动氢能商用车前行。首先,氢燃料电池产业还需攻关催化剂、质子交换膜、探子等共性的技术难点,推动燃料电池电堆、高压氢气瓶等关键部件的成本下降,提高氢燃料电池系统的可靠性和安全性,降低各个环节的成本。其次,经过20多年的发展,氢内燃机的相关技术虽获得了突破性进展,但其缸内燃烧有着自身的特点,在发动机设计上需要进行较多改进,产业化应用还有很长的路要走。

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