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氢燃料发动机有没有可能取代燃料电池系统?

日期:2021-11-20    来源:国际能源网/氢能汇  作者:亮子

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2021
11/20
10:31
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关键词: 氢燃料发动机 燃料电池系统 宝马

近日,昇辉科技证券事务代表邹美凤在活动中表示,公司正积极推动氢燃料发动机的试产与销售。目前公司推出的氢燃料发动机已通过国家强制检验,可以应用在包括客车、物流车、重卡、船舶等多种应用场景。

氢燃料发动机技术由此引起行业热议和市场关注。氢燃料发动机和氢燃料电池系统有何区别?前者有没有可能取代燃料电池成为一项新的技术路线?

两种技术起源于百余年前

氢能汇记者了解到,氢燃料电池发动机和氢燃料电池是并不相同的两种技术路线,前者属于内燃机,后者则是电池。燃料电池的基本原理是通过贵金属催化氢气与空气中氧气在膜电极总成中发生电化学反应,从而产生电能;而氢燃料发动机则是需要燃烧氢气来获得动力的。

虽然近年来国内氢燃料发动机和氢燃料电池都取得了不错的进展,但严格意义来说,这两种技术都是有着相当长的历史的“老技术”。

公元1852年,慕尼黑的一位宫廷钟表匠便制成了世界上第一台氢燃料内燃机。氢燃料电池技术的诞生时间还要更早。在 1839 年英国William Robert Grove 就已经率先提出燃料电池基本原理。

随后的上百年的时间,世界各国都在探索两种不同的技术路线。

1979 年,宝马汽车集团研制的第一辆氢内燃机汽车正式上路,并在后续时间里又陆续推出多个系列的氢内燃机汽车。

2004年,美国福特公司开发的混合动力汽车搭载了氢内燃机作为动力源;2006 年,将研发的氢内燃机 V-10 发动机投入生产;并在 2007年开发出氢内燃机公交车。

2021年5月,以色列的一家名为Aquarius Engines的公司发明了新型氢发动机,仅重10kg,并采用与最初获得专利的单活塞线性发动机相同的技术,但其不同之处在于该发动机无需依赖氢燃料电池和化石燃料,仅靠氢气即可运行。

比起氢燃料发动机的进展,燃料电池车的发展速度显然要快得多。在20 世纪 50 年代 Bacon 作为先驱者开始对燃料电池做基础的研究工作,随着美国的外太空计划采用了燃料电池为其能源供应系统之后,燃料电池逐渐受到各国重视,并取得了飞速的发展。

1966年全球首辆氢燃料电池车Electrovan

1966年全球首辆氢燃料电池车Electrovan由美国通用公司设计完成。Electrovan的燃料电池能够提供32千瓦稳定的功率输出,约160千瓦的峰值。它是由32个串联的薄电极模块组成的,电机和动力总成控制器安装在前排座椅和前排座椅之间,整车重量达7100磅。这台Electrovan的最高时速为70迈,在30秒内可以加速到60。总的续航里程达到150英里。

后续又有丰田、戴姆勒、宝马等汽车公司研发了自己的氢燃料电池车。国内设计生产氢燃料电池车的企业数量更是不胜枚举。

氢燃料发动机优势和困局并存

作为氢燃料发动机来说,最大的优势可能在于其规模化的成本足够低。有业内专家指出:“根据国内相关机构研究预测,按照每辆车使用60kW(额定功率)的氢燃料电池发动机测算,当产量从1000套升至1万套时,氢燃料电池发动机成本将从9000元/kW降至2200元/kW,降幅达75.6%;提升至10万套时,氢燃料电池发动机成本将进一步降至600元/kW,整车TCO与柴油车型相比,也将具备竞争力。”

而对于氢燃料电池车来说,目前,100kW的氢燃料电池电堆大约需要50万元(原型机)。尽管有企业给出了另业内震惊的最低价,当订单量在10000台以上时,只需要1199元/kW,此时电堆成本大约需要12万元。目前国产柴油机100kW的售价约在6万元,氢气发动机成本约为6.9万元,相比之下,应该可以知道为何国内的企业要拼命研发这个技术。

宝马研发的氢燃料发动机汽车

此外,在政策上,国家也对氢燃料发动机是有支持的。8月10日,工业和信息化部在对全国人大四次会议第5736号建议的答复中表示,下一步,工信部将积极配合制定氢能发展战略,研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持。

还有专家接受媒体采访时说:“比起氢燃料电池,氢燃料发动机以其优越的环境适应性和动力性可应用于环境苛刻、地理形貌复杂的场景取胜。氢气发动机对氢气的纯度要求低,可基于成熟的发动机技术进行开发,具有成本低、可靠性高、耐久性好、功率密度大的优点,让各个车企对该项技术的研发非常热衷。”

但不可否认的是氢燃料发动机之所以在百余年的时间里没有替代汽油和柴油发动机,除了基础设施建设不健全之外,很重要的一点在于其自身是有短板的。

氢燃料发动机容易发生早燃现象。因为氢气具有点火能量低、着火界限宽、火焰焠熄距离小、传播速度快的特点,导致氢燃料发动机容易发生早燃,早燃的后果就是让发动机负荷大增、效率骤降,温度异常升高等。

氢燃料发动机容易发生爆燃现象。爆燃是指缸内发生震动较大的异常燃烧,会导致发动机剧烈抖动,甚至导致气缸出现破损,发动机会出现异常的鸣响。

氢燃料发动机容易出现回火现象。回火是指进气过程中进气门没关闭时缸内气体未经火花塞点燃而燃烧,这种现象会导致发动机失火等严重后果。

此外,有业内人士透露,氢气对于金属会发生“氢脆”反应,因此在制造氢燃料发动机的时候,有些金属材料可能并不适用,因为发生氢脆反应后,金属的性质发生改变,会影响整个发动机系统的安全。

国内已涌现一批“挑战者”

虽然氢燃料发动机的科研难题重重,但我们国家的科技创新企业却在氢燃料发动机的研发路上不断挑战成功。

2007 年,我国长安汽车集团与北京理工大学合作研究氢内燃机汽车,开发出的 PFI氢内燃机汽车满足道路的行驶要求,截止到 2013年,研制的样车稳定运行距离超过10000 公里。

2019年5月,中船重工七一二所研发的首台58千瓦氢燃料发动机顺利通过中汽中心天津汽车检测中心的强制性检验,检测结果已进入国家工信部备案。经过测试,各项指标均达到国内先进水平。

2021年5月12日,在中国品牌博览会上中国一汽红旗的氢气发动机成为重点关注对象之一。

2021年8月,天能旗下的高功率氢燃料发动机项目被正式列入浙江省工业新产品(新技术)项目计划,意味着氢燃料发动机获得地方政府支持。

广汽研究院研发的氢燃料发动机设备

2021年9月9日,广汽研究院自主研发的首款热效率预计可达44%的氢发动机,正式成功点火,此举给氢燃料发动机的发展向前推进了一大步。

2021年11月16日,昇辉科技发布公告称:公司正积极推动氢燃料发动机的试产与销售。

此外氢能上市公司云内动力近日表示公司正在研发氢动力发动机……

我们不难发现,氢动力发动机已经不再是一两家企业单打独斗式的发展,越来越多的企业开始进入该领域。

由此可见,氢燃料发动机开发条件日益成熟,且在氢燃料电池汽车的规模应用下,氢气的供应链逐渐趋于完善,燃料的供应体系已较早期有了明显飞跃,未来氢能在汽车交通领域的应用可能又有新的改变。如果克服了技术难题,利用氢气的内燃机车或许真的可以实现反转式增长。

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