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氢燃料内燃机的发展与技术壁垒

氢燃料内燃机最早的研究可以追溯到20世纪30年代

末，自20世纪70年代以来，氢内燃机逐步在汽车工业中得

到重视。包括宝马、大众、马自达、曼等在内的汽车公司将

氢燃料内燃机应用于车用领域，其中宝马更是开发了示范车

队。但是，由于种种原因最终在21世纪初逐步放弃了氢内

燃机的开发。

首先，当时宝马采用液态储氢技术来解决氢燃料内燃机

的供氢问题。但液态储氢技术不仅带来氢气液化的高成本，

而且还存在液态氢蒸发的问题难以解决。该技术路线目前尚

未在车用储氢技术中得到应用。

第二，氢内燃机的系统热效率低于汽油机和燃料电池。

较低的系统热效率主要是由于较窄的稀薄燃烧区域和较低

的几何压缩比。为了实现更高的系统热效率，需要在更高的

负荷区域实现稀薄燃烧，这对于自然吸气发动机来说是很难

实现的。同时还需要专门设计的氢气喷油器来提供足够的氢

气质量流量。此外，为了抑制爆震和表面点火等非正常燃烧，

较低的几何压缩比（9.5左右）进一步限制了热效率的提升。

上述两个缺点使得氢气内燃机的热效率潜力没有得到充分

挖掘。

第三，由于液态储氢的使用和系统效率低导致氢燃料内

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燃机车辆的续驶里程远低于汽油车辆，NEDC下纯氢驱动的

续驶里程仅200km。

第四，早期开发的氢燃料内燃机功率扭矩较低，无法与

汽油发动机相提并论。由于采用自然吸气的氢气进气道喷

射，因此缸内混合热值较低，最大功率和扭矩受到限制，如

宝马的氢燃料内燃机升功率仅32kw/L。

第五，由于实现均匀混合气稀薄燃烧的工况范围较窄，

因此，原始NOx排放较高。即使使用了NOx后处理装置，

整车的NOx排放仍然是美国超低排放(SULEV)的3.9%，没有

实现零排放。

第六，氢气基础设施的缺乏对于氢内燃机的应用起到了

非常重要的限制作用，特别是用于液态储氢的加氢站更少。

综合上述六个原因，早期氢内燃机的技术不成熟和基础设施

缺乏导致大多数汽车公司放弃了开发计划，未能实现量产。

相比20年前，氢燃料内燃机的技术进步和可行X

近20年来，燃料电池和内燃机均取得了很大的技术进

步。这些技术进步将有助于解决上述氢燃料内燃机面临的六

个关键问题。

首先，氢燃料内燃机可以使用已经在燃料电池中获得应

用的高压储氢技术。高压储氢是当前车用储氢的主流技术，

有效避免了液态储氢的问题。在乘用车上，700bar高压储氢

技术已经在燃料电池中得到了应用。

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第二，系统热效率可以大幅提高，短期内有望达到45%

的有效热效率。热效率的提高，一方面是由于增压技术在液

体燃料内燃机中的进步，可以帮助氢燃料内燃机在更大工况

范围下实现Lambda2.5的稀薄燃烧。另一方面，通过单缸

双氢气喷嘴气道喷射或者缸内直喷氢气解决了大负荷区域

供氢量的问题。此外，当前应用在高压缩比（12）增压汽油

机中的技术也可以应用在氢燃料内燃机中，如米勒循环、活

塞冷却、水套和活塞优化设计等，从而提高氢燃料内燃机的

几何压缩比。

第三，动力总成电气化技术结合上述的高压储氢和高热

效率氢燃料内燃机，将有效提高整车的续驶里程。使用已在

汽油机乘用车中获得应用的串并联混合动力技术，氢燃料内

燃机的整车NEDC续航有望超过700km。

第四，由于缸内直喷氢气喷射技术和涡轮增压技术的进

步，氢燃料内燃机升功率和升扭矩均获得了很大提升，2.0L

排量即可以满足乘用车和轻型商用车的使用需求。如图1所

示，相比BMW在2006年发布的世界第一款批产氢燃料内燃

机，当前的增压直喷氢燃料内燃机的升功率和升扭矩均大幅

增加。

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图1缸内直喷和增压技术使得氢燃料内燃机的升功率和升扭

矩大幅提高

第五，如图2所示，原始HC和CO排放值达到了汽车

工业用排放测试设备的最小测试极限。同时，由于实现了

Lambda2.5的均匀混合气稀薄燃烧，原始NOx排放在接近

一半的工况下达到了小于10ppm的水平，如图3所示。如果

采用混合动力技术（如串并联混动），则可以将发动机工况