市场如此卷，氢内燃机凭什么可以入局？ | 产业观察

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作者： 李铭沨

编辑： 郑贤玲

美国有一部纪录片《谁杀死了电动车》，讲述的是20年以前的2003年7月，由通用汽车1996年率先推向市场的1000多辆首款现代量产电动汽车 EV1 被粉碎，这是 人类历史上唯一一场汽车的葬礼。这使得通用汽车电动车失去了最好的时机。到底是石油巨头、还是通用汽车或是消费者杀死了EV1？已经说不清楚，也许是通用汽车的财报。

在过去20年中，氢能技术路线也饱受质疑，通用、 福特、 戴姆勒、 宝马、奥迪、本田……都在燃料电池这条技路线上投入了很多的资源，但为了照顾到公司财报，企业不得不将注意力转向更加确定的产品，全球品牌汽车只有丰田和现代一直在坚持，并给予这个行业新的希望。据丰田的供应商说，和其他整车厂很大的不同的是丰田有一笔很大的资金用于储备新项目，这是他们坚持燃料电池持续投入的一个重要原因。不过，丰田坚持氢能交通似乎不只是燃料电池一条技术路线，最近媒体不断爆出丰田的氢内燃发动机。那么，氢内燃的现状又如何呢？ 我翻看一些海外的资料时，部分厂商对氢内燃机的研发和尝试还是吸引了我的注意，也因此想稍微和大家一起讨论下氢内燃机这条路线的利弊，以及目前的发展情况。

氢能燃机工作原理

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1 非主流氢能路线的存在

人类对氢内燃机的研发最早可以追溯到十九世纪，1841年，英国颁发了第一个用氢气氧气混合气工作的发动机的专利。然而这条技术路线没有突破技术的限制，一直以来都没有办法真正进行产业化的推广，属于典型的“活在实验室中的技术”。近年来随着科技进步迭代以及材料学的不断突破，不论是氢内燃机还是燃料电池，都开始了向市场化产品过渡的阶段。

氢气发动机的原理与燃油内燃机相似，是一种通过燃烧释放反应气体的化学能，通过气体膨胀做功的动力设备。氢内燃机遵循热力学定律，其工作效率受到卡诺循环的影响，氢内燃机相较于燃 ‍ 料电池最大的弊病就是热效率较低，目前氢内燃机的热效率普遍约为45%，这个成绩如果相对于传统燃油车型可能并不算低，但是由于储氢系统的限制，在实际运用当中，氢内燃机不管是对比燃料电池还是传统燃油汽车和锂电车型目前都没有里程优势。

在所有的汽车品牌中，传承氢内燃机技术的当属宝马。1978年宝马就开始研究氢燃料动力，他们在1996年的世界氢能会议上展示了一款氢气内燃机汽车，随后在2000年德国汉诺威世博会上展示了用自家旗舰7系改造的750HL示范运营车队。2006年11月，宝马推出了迄今为止氢内燃机汽车最接近量产的产品——Hydrogen 7，宝马为这台车装配了一套复杂的动力系统，并且配备了一个可存储8kg液态氢的储氢罐，官方称这台车可以在氢能+燃油的双模式配合下可以达到700公里的续航。

宝马Hydrogen 7

然而实际使用中，这台车的耗氢量达到了惊人的3.7Kg/100km，也就是说如果以氢能模式来运行，这台车只能行驶约200km左右的里程，对比目前燃料电池普遍在0.5-0.8Kg/100km的耗氢量来说，这台车可以被称之为“氢老虎”。

而且氢内燃机有个弊端，那就是氢气在发动机内燃烧，虽然会生成水，但是也会和吸入的空气在高温下产生一定的NOx。而且由于氢内燃机的温度更高，NOx的排放问题比起传统内燃机更加严峻。

当然上述的这些问题大多都是因为在过去技术并不完善的情况下，20年前被杀死的EV1其实是电动汽车历史性的突破，只是利益相关者借技术不成熟之机将其杀死在摇篮里。 宝马的 Hydrogen 7 也是 2006 年的产物，距今已经过去 17 年，而在这 17 年中，氢能源行业的发展经过了多次迭代，不论是技术还是材料上，已经和当前不可同日而语。

另外，马自达 2008年推 的RX8 Hydrogen RE也是一辆氢内燃机概念车。当时，该车配备了双转子万克尔发动机，以氢为动力，输出功率约为107马力， 内燃机仅 靠氢驱动，不排放碳。但同款发动机，氢内燃只有汽油版的一半出力。当时的技术不仅产量低，而且里程短，基础建设也不能支持氢气供应，这个项目后他们就放弃了。

马自达也曾经开发过燃烧氢燃料的转子发动机

那么我们来稍微挖掘一下内燃机的技术进步，看看现如今的氢内燃机发展情况到底如何，再简单发散性聊一聊氢内燃机在行业中未来的可能性。

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2 丰田通过赛事积累了丰富 的氢内燃机 经验

谈到氢内燃机，丰田的氢内燃机发展肯定是近年来业内关注的焦点，2021年 5 月丰田以 Corolla Sport 所打造的燃氢引擎赛车 Corolla H2 Concept ，参加在富士赛道上举办的 24 小时耐久赛。为了向全世界证明燃氢引擎安全性，丰田社长丰田章男甚至亲自下场驾驶，完成长达 24 小时的严苛挑战。

GR Corolla H2 概念车近年来一直都在通过参加日本的本土耐力赛事来搜集相关数据以获取经验，值得关注的几点是，这台 GR Corolla H2 在今年之前的两年，一直都是采用气态氢作为燃料，而且储氢系统和Mirai的储氢系统几乎没有太大的差别，这充分说明了丰田在相关零配件的开发上充分考虑到了不同的使用场景，并且具备一定的模块化属性。

另外，从今年的赛季开始，丰田将 GR Corolla H2 的气态氢燃料系统换成了液态氢燃料系统，但是据官方披露的信息， GR Corolla H2 的燃料供应系统在从气态氢转变为液态氢的过程中进行了修改，不过，发动机与使用气态氢的车辆相同，这又从另一方面印证了上面的观点，丰田目前在开发的产品已经可以满足不同的使用场景，改用液态氢是发展中的一大进步，使汽车更具竞争力。

液态氢还能使维修站更快、更有效率，因为可以在与汽油动力汽车相同的维修区进行加氢。此外，使用液态氢作为燃料，就不再需要以前生产压缩气态氢所需的设备，如压缩机和冷却氢气的预冷器，因此，安装加氢站所需的面积比气态氢加氢站小四倍，并且由于加氢时不再需要加压，因此可以连续为多辆汽车加氢。

GR Corolla H2 Concept

2021年年底， 丰田发布了第二款氢燃料燃烧动力概念车—— GR Yaris H2 。 丰田表示 GR YARiS H2 车型上所采用的氢燃料技术经验，在卡罗拉 Cross H2 概念车身上，已将氢内燃机功率提高了24%，达到与汽油发动机相同的功率水平，续航里程也增加了30%，同时，整个加氢过程仅需1分半钟。

GR Yaris H2 Concept

在今年 7 月，英国演员罗温·阿特金森，也就是我们熟悉的憨豆先生驾驶了一台三缸氢内燃机 GR Yaris 参加了 2023 年的古德伍德速度节。

罗温·阿特金森驾驶的氢内燃机 GR Yaris

在 GR Corolla H2 概念车上获得了一定的经验之后，丰田在2022年推出了 GR Corolla Cross H2 概念车，而这台车正是从 GR Corolla H2 的技术衍生而来，这台车搭载的正是一台燃烧气态氢燃料的1.6T三缸发动机，其储氢设备也和 Mirai 上的基本相同，这台 GR Corolla Cross H2 概念车，无疑是丰田对氢内燃机市场化的一次试探，也是对 GR Corolla H2 概念车两年赛场测试的一次总结。

不过就目前来看，丰田还没有确定具体向市场上推广氢内燃机乘用车的具体时间和相关计划。

GR Corolla Cross H2 Concept

除了在 Corolla 车型上丰田下足了对氢内燃机开发的功夫，此外还和雅马哈合作开发了基于丰田 2UR-GSE 燃油发动机的氢燃料版本，这款发动机目前由雅马哈负责主要的开发工作，根据雅马哈目前提供的相关数据，这台发动机的氢燃料版本会相较汽油版本在功率上略有下调约可输出 455PS 的马力，除此之外的信息目前雅马哈并没进行过多的披露，想必整体开发还处于相对早期的阶段，但是考虑到雅马哈和丰田此前曾经合作开发过不少经典的发动机，如 LFA 上搭载 V10 以及早期在雷克萨斯 IS 上搭载的 3SGE 都是优秀的发动机产品，而这颗 2UR 燃油版本其本身也是相当优秀的发动机，不禁对这颗雅马哈和丰田在新能源领域的合作产品也充满了期待。

丰田与雅马哈合作的 2UR 氢能发动机，“氢化”之后不知道这颗经典的发动机又会在未来带来什么惊喜

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3  内燃机巨头康明斯在商用车发动机上的尝试

丰田作为乘用车的行业巨头，不论是氢内燃机还是燃料电池都储备了相当可观的专利和技术，而作为商用车发动机的行业巨头，康明斯采取了和丰田相似的战略，其燃料电池产品已经过多次迭代，目前已经在全球进行了一定的商业化推广并取得了优秀的成绩，另一方面，康明斯也在进行氢内燃机的开发。

康明斯 B6.7H

康明斯于去年德国汉诺威 IAA 运输展上展出了一台搭载了由 B6.7H 氢内燃机驱动的中型概念卡车（ H2-ICE ），具康明斯介绍，该车型可以达到 500 公里的续航，并且对车辆的性能以及有效载荷都不会有影响。目前康明斯 B6.7H 氢内燃机可以输出 290PS 左右的马力以及 1200 牛米的扭矩， B6.7H 采用了尖端技术来提高功率密度、减少摩擦损失和提高热效率。因此，其性能与同排量柴油发动机相当，并可与相同的变速箱、传动系统和冷却组件兼容。 B6.7H 的另一个优点是运行噪音明显低于柴油机。

在储氢系统方面，康明斯与氢气存储专家 NPROXX 合作开发的储氢罐工作压力达到了 70Mpa ，从而提高了燃料存储容量。底盘可容纳两个燃料箱，总容量约为 40 千克氢气，还有一个安装空间可容纳约 10 千克的辅助燃料箱。储氢罐在结构上采用碳纤维加固，以提供出色的强度重量比。大容量的燃料储存与直喷式学习燃烧的能效相结合，使 B6.7H 动力卡车的潜在续航里程可达 500 公里，足以满足大多数中型卡车的需求，而且比同等尺寸的电动电池动力卡车的续航里程要长得多。康明斯设计的燃料控制模块将氢燃料加注点、燃料过滤和燃料分配系统集中在一个装置中，方便使用。为卡车加注氢气燃料预计只需 10 分钟。

H2-ICE 技术的开发扩大了康明斯的无碳技术组合，增强了公司在氢燃料电池动力、电池电动系统、可再生天然气动力系统、电动动力系统和 PEM 电解槽绿色制氢方面的能力。目前康明斯以和印度塔塔汽车达成合作协议，将会合作开发搭载康明斯氢内燃机以及燃料电池系统的车型。

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3 国 内企业氢内燃机的尝试

不仅国外的行业巨头在氢内燃机路线上开始了布局，国内的部分厂商也开始了对氢内燃机这条路线的尝试，并且取得了阶段性的成果，这对我国氢能行业未来的发展奠定了更加丰富的发展基础和可能性。

2021 年有多家国内厂商的氢内燃机产品相继发布或下线： 4 月一汽下线了自主研发的 2.0L 氢内燃机并顺利点火，其产品目标热效率为 42%； 同年 6 月，长城也发布了其热效率达到 42% 的氢内燃机，并宣布将于 2025 年推出；紧接着在 9 月，广汽趁热也发布了其氢内燃机项目，并称其产品可达到 44% 的热效率；时间来到今年，东风也发布了最新的东风马赫氢内燃机，并且热效率突破了 45% ，目前处于行业领先地位。

北汽 2021 年发布了“魔核”氢内燃机， 2022 年已经将这款发动机升级到热效率超过 45%

而在商用车领域，玉柴集团在 2020 年就完成了热效率达到 50% 的氢内燃机研发工作，并且于 2021 年 12 月发布了我国首台商用氢燃料发动机 YCK05 ，其热效率达到 42% ，可以广泛应用于公交，市政，环卫以及物流配送车上，目前其改进款 YCK15N 氢内燃机也于 2022 年上半年实现点火并成功平稳运行，预计将会持续研发至 2025 年左右在达到 50% 的热效率后面向市场进行量产。

氢内燃机作为内燃机的一种延续，其中很多零配件都可以从传统的内燃机配件中升级而成，也因此，氢内燃机的发展也算是对整个汽车零配件行业起到了保护和促进的作用。当然毫无疑问的是，以当下的技术水平而言，氢内燃机的整体效率还无法和燃料电池相比拟，要真正实现产品的市场化还有很长的路要走，但这也并不是拒绝和回避这条技术路线的理由。

从丰田的案例中我们不难发现，虽然技术路线不同，但是也有部分产品和系统在研发过程中是有重叠的，目前而言其实不论是燃料电池还是氢内燃机都算不上完善，相信这也正是丰田选择两条路线叠加技术进行测试的原因之一，在这个过程中，不管最后的最优解是哪一个，从中获得的经验都是非常重要的。

其实，对汽车和动力企业来说，内燃技术属于渐进式技术，近年来，随着机械制造更加智能化、精密化，燃油发动机的效率也在不断提升，可以通过减少运动件的摩擦来提升涡轮增压器的效率。现阶段，氢内内燃机能源转换效率低于燃料电池，但 供应链可以与传统内燃机共享，供氢系统和基础建设又能与燃料电池汽车共享。 重要的是，直接燃烧氢既不需要像燃油车那样通过催化剂来减排，也不需要燃料电池通过催化剂增加提升氢氧反应的活性，对贵金属没有依赖。

20年前 EV1 的那场葬礼并没有埋葬电动车，但奥迪的故事还是提醒我们，这个社会需要给予创新更多的包容和鼓励，而且一旦放弃就可能前功尽弃。氢能的技术路线除了燃料电池和氢内燃，还有甲醇和氨动力， 氢能产业已经开启，在交通领域 氢基能源有多种可能性。20年前那场电动汽车的生死博弈依然在上演，氢内燃机只是氢基能源的一条技术之争，更重要的是，多种力量之间的博弈是否能够为氢能赢得前景！

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