一文概览氢内燃机发展历程

氢能的利用方式主要有燃料电池和氢内燃机两种。

氢燃料电池相比氢内燃机化学能到机械能的能量转换效率更高，而且省去了内燃机中的机油润滑系统和散热系统，但各环节降本之路依旧漫长。

氢内燃机也叫氢燃料发动机，以传统内燃机为基础，通过改变燃料供应系统、喷射系统以及燃料等，燃烧氢气产生动力，从而驱动车辆的行驶。

可以简单的理解为烧氢气的发动机，其基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸—活塞式的内燃机，同样是按照吸气——压缩——做功——排气4个冲程来完成化学能对机械能的转化，只是氢内燃机里的燃料是氢气。

氢内燃机 VS 氢燃料电池

普通氢燃料内燃机成本是目前的燃料电池价格的1/10甚至1/20，远低于燃料电池，具有成本优势。

氢内燃机具有多种燃料适应性，使用的燃料氢气，对纯度的要求不高，可以直接使用工业副产氢，不需要进一步的提纯，进一步降低了成本；也可以用氢气与现有的天然气、柴油或者汽油进行掺混燃烧。

但是，氢内燃机易发生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺点，以及相较于燃料电池可以直接将化学能转换为电能，其能量转换效率较低（广汽氢内燃机44%，氢燃料电池60%-70%），从而限制了氢内燃机的进一步推广应用。

就目前量产车来看，氢燃料电池技术发展更迅速，我国已经进入了氢燃料电池汽车的示范推广阶段，促进了氢能基础设施的建设，以及氢能产业链的完善。

这些也有利于氢内燃机的发展。

尤其对中重卡、船机、工程机械等高载荷和高功率密度应用来说，电动解决方案无法满足其运行要求，氢内燃机或可以为这些应用提供新的零碳解决方案。

从用户层面来看，由于外观、声音、工作方式都与大家熟悉的内燃机相似，且可靠性和耐用性可与柴油发动机相媲美。选择装配氢燃料发动机的车辆也是个不错的选择，可以避免投资一项全新技术引发潜在风险的担忧。

客观来看，在全球能源绿色化的大背景下，不同的动力路线擅长的领域和场景不尽相同，逐渐呈现出百花齐放的市场格局。

氢内燃机作为能够实现传统化石能源替代的可行性技术路线，已经引起了决策层、企业端、以及应用层面的重视。不过，目前业界还处于初步探索阶段，未来前景如何还有待观察。

从长期来看，笔者认为在飞机上应用具有很大潜力（航天航空对重量要求高、体积要求较低对氢气瓶相对友好）。发展历程

1）海外

氢内燃机的历史可以追溯到1807年，当时瑞士人伊萨克·代·李瓦茨研发了第一款单缸氢气内燃机。

1968年，前苏联科学院用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，改用液氢的结构方案，发动机热效率提高，热负荷减轻。

1972年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，充装一次液氢后行驶274km。

上世纪70年代后，苏联、德国、日本、美国、中国都有氢内燃机的技术投入，主要是实验室产品和概念车。

福特汽车在1997年启动氢内燃机的开发工作，搭载其2.0L氢气发动机的轿车车型在2001年发布；

马自达在2003年发布了双燃料的Mazda RX-8 Hydrogen RE；

宝马在2005年量产了基于宝马7系（E65）的12缸6L氢气/汽油双燃料发动机……

2）国内

我国氢发动机的研究开始于20世纪80年代初，国内一些高校和科研单位对内燃机燃氢和燃氢双燃料内燃机等进行了实验研究。

浙江大学曾与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究，试验采用了缸内直接喷射，并用模糊神经网络控制，试验结果表明氢气发动机的异常燃烧、动力增加及NOx减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。

2006年由北京工业大学、北京益麦斯科技有限公司和北京飞驰绿能电源技术有限公司联合成功改造了一辆可使用汽油和氢气混合燃料的1.6L依兰特轿车。该车在冷启动、暖机、怠速和小负荷采用纯氢气运行，接近零排放；在中等负荷采用汽油混氢燃烧，排放和油耗进一步降低；在大负荷采用纯汽油模式，确保了车辆在高负荷的动力性。

北京理工大学对氢内燃机的研究走在国内前列，氢内燃机研究课题组于2006年正式成立。孙柏刚教授带领团队用了6个月建立第一个实验室，如今已形成稳定的科研队伍。“十一五”期间与长安汽车集团合作，承接了国防科工委和科技部863节能与新能源汽车重大专项课题，开展了多项有关氢发动机内容的研究。

2007年研制的国内第一台氢内燃发动机，在长安集团点火成功。随后在2008年的北京国际车展上，长安汽车发布了中国首款氢动力概念跑车“氢程”。“氢程”搭载的是增压中冷氢内燃机，直接以压缩氢气为燃料，其性能不仅可以达到汽油机的水平，效率上还比同排量的汽油机高30%以上，HC、CO、CO2排放几乎为零，完全可实现超低排放并具有良好的低温启动性，在一次性加足燃料的情况下巡航距离可达230Km以上。截止到2013年，研制的样车稳定运行距离超过10,000公里。2018年北理工发布了目前国内唯一的一套可以进行氢燃料内燃机系统开发的专用试验台架，是国内少有的能够进行氢内燃机整机测试的完整实验平台

发展现状

当年只有车企“孤军奋战”氢内燃机研发，存在储氢导致的续航时间短、氢能技术设施不完善导致的加氢难、供应链配套少等一系列问题，因此由车企发起的氢内燃机革命似乎在2005年后经历了漫长的“雪藏期”。

直到近年才重新回归各大车厂的视野：曼恩的第一台氢气内燃机原型机已经在实验室的台架上进行测试，道依茨的氢内燃机产品也已经可供预定；丰田在去年6月推出世界上首辆氢内燃机赛车后，于今年2月宣布开发氢燃料发动机，功率可达450马力（约330kW）。

如果说彼时的氢内燃机研发是各大车厂对于氢气这种高热值燃料的尝试，那么在当今全球绿色变革的大背景下，基于氢能的各路线动力解决方案的研发已经变成了车企和内燃机企业的迫切需求。

1）国内

去年8月，工信部对以“关于鼓励发展零碳排放氢气发动机”为主题的建议作出答复，下一步将积极配合相关部门制定氢能发展战略，研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持。工信部将根据氢气发动机技术进步和应用推广情况，进一步评估现行标准体系的适应性和差异性，提前布局相关标准预研，适时推动急需标准制定，有力支撑氢气汽车科学合理发展。

去年12月，工信部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，再次提出发展氢燃料燃气轮机。

技术多样化发展能够最大程度保障氢能产业发展方向不发生严重偏离，因此国内在积极推动燃料电池技术发展的同时，也同样没有放弃对氢内燃机的关注。一些迹象表明，国内对氢内燃机领域的探索正悄然兴起。

2021年4月，由中国一汽自主设计研发的首款红旗2.0L氢能专用发动机在研发总院试制所顺利下线交付，并于当月在北理工实现点火。该发动机基于中国一汽最先进的第三代汽油机产品平台自主研发，发动机排量2升，目标热效率大于42%。

2021年6月，长城蜂巢动力发布8款全新发动机。在氢气发动机方面，长城表示将于2025年推出氢气发动机，热效率为42%，最大功率为120千瓦（163马力），最大扭矩230牛米，搭载氢气专用直喷系统、高压耐腐蚀氢气供给系统等多项新技术。

2021年9月，广汽集团自主研发的首款氢气发动机点火成功。该发动机基于广汽第四代发动机平台自主研发，广汽集团拥有完全自主知识产权，采用了多种新技术，以确保发动机平稳运行，热效率可达44%。

2020年，玉柴集团已经完成了50%热效率内燃机的技术研发工作。2021年12月，玉柴集团在北理工发布中国首台商用车燃氢发动机YCK05。该燃氢发动机采用高压多点进气道喷射技术、高效低惯量涡轮增压技术、氢气专用SCR后处理、高效稀薄燃烧技术等多项先进的专项技术，并对整机结构、燃烧和配气等子系统进行全面优化升级，攻克了燃氢发动机易回火、易爆震等技术难题，热效率达到42%，能广泛应用于公交、市政、环卫、物流配送等场景。此外，面向重卡领域的YCK15N燃氢发动机预计将于在2022年上半年实现点火且稳定运行。预计在2024年7月份商用车第四阶段油耗标准执行前后，50%热效率发动机将实行量产。

2）海外

据美国环保局中重卡温室气体排放模型（GEM）测算，一台由氢内燃机驱动的2027 8级卧铺半挂车，相比同类型的柴油发动机车辆每年可减少二氧化碳排放144公吨。当前，包括丰田、宝马、康明斯、川崎等在内的多家企业正在积极进行氢内燃机研发。

世界上第一辆氢内燃机赛车就出自丰田手笔。

2021年5月21日开始的富士24小时耐力赛上，丰田将氢燃料电池量产车MIRAI的氢气储存罐装进丰田卡罗拉掀背版赛车中，发动机则是来自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3发动机，并与电装合作开发了氢气专用喷油嘴和火花塞，发动机将直接燃烧氢气产生动力。

2021年7月，康明斯宣布开始氢内燃机开发的前瞻测试。此项概念验证测试基于康明斯行业领先的气体燃料应用和动力链技术基础，旨在进一步探索先进零碳技术发展的新路径。

2021年9月，康明斯宣布其氢燃料内燃机（H2-ICE）计划正在开始开发中型6.7升和重型15升发动机。

康明斯公司发动机业务总裁Srikanth Padmanabhan表示：“虽然电池-电动和燃料电池-电动动力系统都非常有前景，但内燃机成熟技术中的绿色氢配对技术也可为未来的零排放解决方案提供重要补充。”

近日，空客举行新闻发布会，宣布其与 CFM 发动机公司（美国 GE 与法国赛锋合资组建的发动机公司）合作开发和测试氢内燃机。该项目的目标是在 2026 年前开始使用空客 A380 飞机进行飞行测试，以支持空客零排放项目的目标。

A380 载装 Passport 发动机的 H2 空中试验机将在 2026 年底前试飞，这将使技术选择在 2027 年前最终确定。空客第一架零排放飞机的配置将在本世纪末决定。空客正在研究三到四种配置，乘客在 100 到 150 人之间，航程在1800 到 3600 公里之间。每一种配置都与特定的技术选择有关——一些与氢燃料电池有关，另一些与直接氢气燃烧有关。

发展现状

氢内燃机领域展开布局的企业多以汽车零部件巨头及车企为主。

原因在于：车用内燃机作为我国碳排放“大户”以及交通运输的主要动力，面临着双碳目标下新旧动能转换的“大考”，大部分汽车零部件巨头及车企均加快了技术探索的步伐，而集合了“发动机＋氢能”基因的氢内燃机成为这些企业的重要突破点。

氢燃料发动机结构与现有内燃机相似，车企和内燃机企业可以发挥在内燃机方面的技术优势，甚至保留整条内燃机产业链条，可以轻松地将氢内燃机装配到现有车辆系统中，大多数零部件和软件可以保持不变。

因此，氢内燃机的研发推进，对主机厂具备极大的吸引力。