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氢燃料内燃机研究现状与展望

刘福水，周磊,孙柏刚

（北京理工大学机械与车辆工程学院，北京100081）

摘要:

本文以氢内燃机的研发为核心，探讨了中国的氢能源动力的开发和利用的现状及发展。

全文共由五部分组成，第一部分是关于世界能源现状及我国面临的能源问题的概述。

第二部分主要涉及中国的氢能源经济模式问题的讨论。

我们在第三部分里对比分析和讨论了氢作为车用动力的利用途径。

第四部分是全篇的核心，该部分在分析了氢内燃机的优势和特点之后，详细介绍了北京理工大学的氢内燃机研发项目的最新进展。

最后，本文分析和展望了中国氢内燃机研发的广阔前景。

关键词：

氢能源;氢内燃机;氢经济

TheCurrentStatusandFutureDevelopmentofHydn^enInternalCombustionEngine

LIUF\i-shui,ZHOULd,SUNBai-gang

（BeringInstituteofTedinoiogy,SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,Be胡ng,100081）

Abstract：

HiedevelqjmentandutilityofhydrogenenergyinChinaisaddressedfromtheresearchanddevelopmentof（HICE）hydrogeninternalcombustionengine.Itconsistsoffivepartsinthispaper.Abriefintroductionoftheenergycrisisandenvironmentprotectionisgiveninthefiretpart.ParttwoconcernsitselfwiththemodeofhydrogenenergydevelopmentinChina.Thecompanionandanalysisoftheutilityabroachofhydrogenenergyforvehiclefonnthefocusofpartthree.Partfouristhecoreofwholepaper,basedontheanalysisoftheadvantagesandcharacteiisticsofHICE,theHICEleeearchinBeijingInstituteofTechnologyisintroducedindetailsinthispait.Finally,the{HospectofHICEdevek^xnentinChinaisdiscussed.

Keywords：

Hydrogenenergy,Hydrogeninternalcombustionengine,Hydrogeneccmomy

引言

能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题，也是制约工业社会进一步发展的主要障碍，我国作为高速建设中的发展中国家和能源消费大国，也同样面临着严峻的能源和环境形势。

降低原油对外依存度，既关系到国家的能源安全，也关系到国家经济运行的安全。

新能源开发利用是解决能源、环境和经济可持续发展的战略选择。

氢作为一种可再生清洁燃料，不仅储量丰富，而且从终极的意义上解决了含碳排放物带了的危害，已经得到全世界的极大关注。

“氢能源经济”的概念已经在西方国家得到了广泛认同。

以氢气作为未来燃料，用可再生能源系统制取氢气，然后将氢气作为载体用来储存能置,是提升我国能源利用水平的重要途径之一。

氢燃料内燃机经过燃烧过程把氢能转化为机械能，是一种新型内燃机，既可以利用氢能源清洁、可再生的特点，又可以充分利用目前已经建立起来的内燃机工业基础,且氢燃料内燃机热效率较高，生产及使用成本低，在使用性能、成本等方面较容易被广大用户所接受。

现在,以氢气作为内燃机燃料已经被汽车行业公认为是近阶段以及未

来•段时期内狙能用于汽车的最现实、最经济的途径。

同时，开发和使用狙燃料动力也是我国建立氢能源经济模式的重要而乂合理的切入口：

1世界能源现状及我国面临的能源问题

1.1石油资源危机

自1981年以来，每年全球石油消能说已超出其年产量，以往的储备石油正面临者被消耗殆尽的危机一根据国际石油组织的测算（图1、图2）,全世界石油最终产屋大约为1750Gb.如果没有新的能源取代石油，这•上大赋予人类的最丰厚的宝藏.将在50至100年之内枯竭而这将

很有诃能引发第二次甚至是永久性的石油价格上涨

图l世界上石油资源勘明•与消耗量的关系 图2世界石油产■预测

1.2环境污染

一个世纪以来.世界的化石燃料消托成指数增长，从而导致了一系列的环境问题，例如地方空气污染、酸雨以及能够引起土壤和水质恶化的污染物大量排放在人为大气污染源中（图3）,约有80%的一氧化碳产生于内燃机燃烧过程（包括路用及非路用车辆中的内燃机）,95%的-•轲化氮来自于所有类型内燃机里的燃料燃烧，而内燃机则向大气中释放出了超过40%的挥发性有机物质：

由此可知，内燃机是主要的空气污染源，

图3大气排放的来源组成

1.3温室气体排放

作为化石燃料燃烧的主要产物，二氧化碳的排放在传统内燃机中是不可能显著降低的联合国政府间气候变化小组的研究显示，口工业革命以来，温室气体,尤其是二氧化碳的浓度显著增长引起r地表温度的持续上升（图4）。

在过去的一百年中，地表温度已上升ro.6度（图5）.、当今世界正面临着控制温室气体排放，改善气候变化的巨大挑战，为保护我们生存的环境，人类必须大规模减少温室气体排放.防止人为气候变化

3

大会

图4近百年来大气中二叙化碳含■的变化 85近百年来地球表面温度的变化

1.4我国面临的环境和能源问题

我国是资源相对匮乏国家：

2003年底，国务院发展研究中心的一份研究报告指出.中国人均能源可采储量远低「世界平均水平.我国面临矿石能源特别是石油能源度直短缺的问题，随着经济的快速增长.1994年我国已开始成为石油纯进口国c一旦进口石油受到国际政治经济等因素的影响.将严重威胁国家安全，动摇我国整个国民经济的发展

在油价高企、能源短砍的国际环境之下.许多国家能源安全提升到国家战略安全的高度，把发展新能源作为种战略选择，在今后世界上的竞争中.谁先解决町再生能源问题，谁就能确保可持续发展的能源基础.站在绝对有利的地位-面对严重的形势，中国政府与世界其他国家一样.积极研究、开发和利用新能源.而且，作为全球最大的发展中国家,我国的各种气体排放物在逐年增加.国际环境组织预计:

到2100年.我国的碳排放地将占全球的半左右（如图6）因此,我国在提高自身的工业化水F和高速发展的同时.还要对全球的环境保护承担应有的责任，为维系人类世界可持续发展作出贡献.

氢魅料动力的开发和应用.将有效缓解我国能源紧张的局面，可以使我国在新世纪能源的竞争中处于领先地位。

以氢燃料内燃机逐步替代燃用石油产品的内燃机对f逐步塑脱对石油资源的依赖和降低有害气体和温室气体排放具有十分重要的战略意义（图7）,是维护国家能源安全、保障社会持续发展的迫切需要

4

〈卜中・工业■侏工业协会

图7我国对进口原油的依赖度

2氢燃料的优越性

图8列出了传统内燃机的通用化学反应式。

从图中可以看出,CQ是化石燃料燃烧的主要生成物，也是温室效应的主要来源;而CO、HC和颗粒物是内燃机排放的主要污染物，只有水是无污染生成物。

温室气体和污染物的主要来源就是燃料中的碳。

换句话说，燃料中的“碳”是环境污染的重要根源。

因此,“无碳、可再生燃料”是理想的未来燃料。

显然,以氢作为燃料是解决内燃机燃烧有害排放的根本途径。

图8传统内燃机对环境的危害原因分析式

氢作为燃料的优点十分明显。

首先，氢是清洁的、可再生的燃料，燃烧产物是水和少母的氮氧化物;电化学燃烧（例如在燃料电池中）的产物只有水，决不产生化石燃料燃烧时产生的环境污染物。

另外，氢具有广泛来源、氢是自然界最普遍存在的元素，是取之不尽、用之不竭的清洁能源。

氢的热值高，与其他燃料相比，单位质量发出的能量,即比能量最高。

若将氢作为内燃机的燃料，则从终极意义上规避了含碳物质的排放，不仅解决了化石类原料的CO和HC的排放问题，也不会产生温室气体的排放。

既解决了能源危机的问题，也大大地降低了有害气体和温室气体的排放。

由此可见，以氢代替石油制品作为交通能源，实现氢能汽车、氢能火车、氢能飞机以及氢能发电,则氢气的生产规模必将大大地扩展，并由此形成立足于氢动力的氢能源模式和氢经济体系0

3中国的氢能源经济

3.1氢的来源

氢的来源是氢动力面临的普遍问题，我国已经在氢能的规模制备、储运方面的进行了大量的基础性和应用性研究,取得了一系列的研究成果。

与氢燃料电池相比较，氢燃料内燃机的另一个重要的优势就是可以应用纯度不是很高的工业废狙等。

3.1.1电解水制氢

水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。

水为原料制氢过程是氛与氧燃烧生成水的逆过程，因此只要提供一定形式一定的能量，则可使水分解。

提供电能使水分解制得氢128

中盘能大会

气的效率一般在75~85%，其工艺过程简单，无污染,但消耗电量大，因此其应用受到一定的限制。

国外已进行太阳能氢能系统实验性研究,随着太阳电池转换能量效率的提高、成本的降低及使用寿命的延长，其用于制氢的前景不可估量。

供电系统在低谷时富余电能也可用于电解水制氢，达到储能的目的，如图9所示

图9利用电网负荷峰谷差制氢示意图

3.1.2矿物燃料制氢

以煤、石油及天然气等化石燃料为原料制取氢气是当今制取氢气最主要的方法。

用化石燃料制氢的方法包括含氢气体的制造、气体中CO组份变换反应及氢气提纯等步骤。

该方法在我国都具有成熟的工艺，并建有工业生产装置，在现阶段是最经济的制氢方法。

但这种方法没有摆脱人类对化石燃料的依赖问题,不能从根本上解决即将出现的能源危机。

3.1.3生物质制氢

生物质资源丰富，是重要的可再生能源。

生物质可通过气化和微生物制氢，目前这种方法的主要问题是成本太高，难以推广普及。

（1） 生物质气化制氢

将生物质原料如薪柴、锯末、麦秸、稻草等压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或裂解反应可制得含氢燃料气，然后再通过裂解、提纯的方法制取氢气。

国外采用生物质气化已能大规模生产水煤气,其氢气含量大大提高。

（2） 微生物制氢

微生物制氢技术亦受人们的关注。

利用微生物在常温常压下进行酶催化反应可制得氢气。

生物质产氢主要有化能营养微生物产氢和光合微生物产氢两种。

光合作用细菌产氢采用各种工业和生活有机废水及农副产品的废料为基质,在产氢的同时可净化废水并获单细胞蛋白,一举三得，很有发展前途。

3.1.4各种化工过程副产氢气的回收

多种化工过程如电解食盐制碱工业、发酵制酒工艺、合成氨化肥工业、石油炼制工业等均有大量副产氢气。

据初步统计,我国每年的工业废氢产量达390亿立方米。

如能采取适当的措施进行氢气的分离回收，这些工业废氢可以驱动156万辆运营（按每辆车日平均运行2小时，平均功率为50kW计）。

由于工业废氢中含有CR、CO等物质，在燃料电池中无法直接使用，提纯工艺不但复杂、且成本会大幅度增加。

而内燃机对氢的纯度几乎没有要求,CHoCO等也属于可燃物质。

因此，工业废氢经过简单处理后即可以应用在内燃机中,这将大大降低燃料的成本。

燃用工业废氢对氢129

V中国工业气像工业协会

内燃机的推广和运营将具有积极的促进作用，回收利用工业废知并将其应用「狙内燃机.将是启动我国氢能源经济的现实途径:

，

我国工业废父可网收量

说明

体积

亿H

390

抵做厂、焦化厂等

发热堇

亿MJ

3755

可供应轿车运行

万辆

156

50kUx2hx200天

表1我国工业废氢回收利用分析表

3.1.5其它含氢物质制氛

国外曾研究从硫化氢中制取氧气一我国有丰富的H?

S资源，如河北省赵弋庄油气旧开采的天然气中机含筮高达90%以上，其储量达数千万吨.是一种宝贵资源，从硫化知中制取氧有各种方法，我国在90年代开展r多方面的研究，如石油大学进行广•间接电解法双反应系统制取殖气与硫磺的研究”取得进展.正进行扩大试验，中科院感光所等单位进行「“多相光催化分解硫化氛的研究”及“微波等离子体分解硫化级制久的研究”等，这些研究成果将为今后充分合理利用宝贵资源.提供清洁能源及化T.原料提供技术基础

3.2中国的量能源经济模式

我国的水力资源储备卡富，三峡电站等大型水电站的建成，不但可以为我国的工业和民用建设提供大量的电力资源，也为我国建立氧能源经济模式解决了氢的来源问题以车用汽油为例作比较，预计三峡电站的“谷电”价格为7分/度，按电解效率70%计算生产对应I公斤汽油热能的氢，直接成本1.25元低于目前93,汽油的售价：

5.85元/公斤（5.09元/升）.而且随着石油价格的飙升,氢燃料的价格竞争力也将越来越明显:

我国的大功率电站占很大比例,且横跨4个时区的我国全境采用的是统-时区.造成电力系统负载的巨大峰谷差，“谷电”难以存储，大电站调峰困谁，如果不能很好地平衡电力负载，不但会造成发电能力的浪费，而且会对电站有很大的危害.利用谷电制氢.将电能以冬的方式存储起来是平衡电能、获得廉价氧能的有效措施

如图10所示，将水电站的所发出的电分为两支:

电能服务固定用户、笥能驱动移动机械，并以工业废氢的利用为补充.将是我国理想的氢能源经济模式！

图10我国氢能源使用模式

4氢能源作为动力的利用途径分析

氢能源作为动力的发展目前可以分成两大方向：

•个是在传统内燃机技术的基础上，开发氛燃料内燃机;另一个方向就是采用新型的动力装置，如燃料电池其根本目的就是解决目前

7

汽车行业面临的“能源与环保”这两大难题。

要同时解决这两大难题,所采用的动力装置必须具有以下两个重要特征：

•对人和环境无害；

•所用能源具有可再生性。

在满足以上两个特征的前提下,高效率、低成本、使用方便等指标便构成一个新型动力装置技术是否具有竞争力的重要条件。

燃料电池堆本身具有较高的效率，如考虑到进气增压系统、冷却系统等的功率损失,燃料电池动力系统的最高有效效率可以达到50%以上,但随着负荷的增加效率明显降低;氢燃料内燃机的有效热效率可以达到40%~45%，且高负荷运行区域效率几乎不降低。

从成本上看,由于目前的燃料电池均使用贵金属Pt做电极，其成本远高于传统内燃机，达到1500~3000USD/kW;而氢燃料内燃机可借用传统内燃机的技术基础和生产基础，造价与传统内燃机相当，只有50USD/kWo

在排放方面，燃料电池可以实现真正的零排放，而氢内燃机由于工作方式的不同，会产生一定量的NOx排放，但通过一定的技术途径可以解决，这也是氢内燃机研发的主要问题。

宝马公司研制的最新一代氢燃料内燃机采用全新的控制策略,很好地控制了NOx的排放量。

实验证明，非增压条件下催化器前的NOx排放量可以控制在10010-6以内，催化器后的N（\接近于零。

燃料电池要求的氢气纯度大于99.9%,而氢燃料内燃机对氢的纯度几乎没有要求，可以使用各种来源的氢燃料，是启动氢能源经济的最佳动力装置。

另外,氢燃料内燃机具有多燃料适应性的优势，能够根据燃料的供应情况自动切换燃烧方式,解决了氢能源经济启动初期氢气供应基础设施不完善时车辆的运营问题。

“知识产权空心化”是目前我国汽车行业面临的亟待解决的问题。

氢能源内燃机技术在国际上正处于起步阶段，还没有形成垄断的格局。

与燃料电池相比，氢燃料内燃机的门槛较低，传统内燃机的许多技术都可以借用，我们完全有能力利用自己的力量研发出具有国际一流水平的氢燃料内燃机及其设计理论、设计方法，并抢先在国内和国际上申报专利，形成自主知识产权,从而摆脱核心技术受制于人的被动局面。

从上述多个方面的分析可以看出，使用氢燃料内燃机可以达到很高的效率、极低的排放，又具有较低的价格,得到了很多著名机构和人士的重视，氢燃料内燃机已经成为实现氛能源经济最具现实意义的发展方向。

5氢燃料内燃机的特点和优势

氢燃料内燃机保留传统内燃机基本结构，发挥了氢燃料清洁、可再生的特点,为传统的内燃机行业注入了新的生机,氢燃料及氢燃料内燃机的特点简述如下：

5.1氢燃料的特点

氢气的主要物性参数如下：

•着火范围：

4%~75%,氢气的可燃浓度范围很广，可以燃烧稀薄混合气；

•点火能量：

0.02mJ,是汽油的十分之一,降低了对点火能量的要求；

•燃烧速度：

2.2m/s,其汽油混合气燃烧速度的5倍，更适合内燃机高速要求；

•自燃点:

585Y,自燃点高，可以使用更高的压缩比,意味着氢气内燃机有更高的理论循环效率；

•淬冷距离:

明显低于汽油机，淬冷距离的减小使得燃气与缸壁的换热加强，再加上氢气的燃烧温度较高,导致内燃机受热部件的热负荷明显高于汽油机。

从上述氢燃料的物理参数可以看出，氢燃料的上述特点是适合内燃机应用的。

当内燃机使用氢燃料时，燃料的供应系统、点火系统、燃烧系统、内燃机结构等必须满足氢燃料的需求，不是简单的内燃机改造。

氢燃料在内燃机中燃烧的主要产物是水,没有一氧化碳、二氧化碳、碳氢和颗粒排放，唯一的有害排放物是氮氧化物。

有效控制氮氧化物排放是氢内燃机研究的重点。

5.2氢燃料内燃机的初步应用

德国宝马汽车公司研发的氢燃料内燃机汽车同时配备有氢气储气罐和汽油油箱，当氢气供应不足时，内燃机会自动从汽油油箱中提取燃料。

这样一来，氢燃料内燃机汽车对“加氢站”的依赖问题得到一定程度的缓解。

这一优势在氧气推广使用的初期尤为突出，可以让司机在充分享受新型清洁能源的同时，不必担心找不到加氢站而抛锚。

因此,双燃料应用是氢能源推广的重要手段。

使用双燃料工作时，为了使汽油机达到更严格的排放标准,原来的三元催化器必须保留，需要探索该三元催化器对氢燃料的适应性。

当然，在氢内燃机样机开发阶段和整车应用时，也必须针对氢燃料的特点，考虑安全系统的设计，确保内燃机和整车系统的安全运行。

从上述几个方面的分析可以看出,氢燃料与汽油特性差异巨大，类似于“汽油机”和“柴油机”的区别，氢燃料内燃机是基于氢燃料特性而全新开发的新型内燃机,不是汽油机的简单改造。

而且，从上述的论述和分析中，可以发现氢内燃机研发具有以下优势：

可借用传统内燃机的技术基础和生产基础，造价上具有明显的优势。

内燃机发展至今已有上百年历史，其理论技术成熟,在全世界范围内建立了庞大的生产体系，维修护理等配套产业也十分完善。

近年来，制造商们为降低内燃机带来的污染,以适应市场带来的更大挑战，致力于提高内燃机的效率和性能,积累了大量新技术。

而氢燃料内燃机克服了传统内燃机存在的问题,给内燃机行业带来了新的生机，势必为这一行业带来划时代的革命。

较高的热效率。

氢气的自燃点为585吃,比汽油的自燃点高，它能够承受更高的压缩比，从而得到较大的理论循环热效率。

由于氢气的可燃浓度范围很广，内燃机可以燃烧稀薄混合气，而不降低热效率。

福待公司计划在2006年推出新款氢燃料内燃机概念车。

这款名为P2000H21CE的概念车排量为2升,由福特FocusZetec汽油机改装而成,福特公司宣称，氢气能够将内燃机效率提高25%至30%,而这一效率已和燃料电池大致一样。

低排放特性。

理论上来说，氢燃料内燃机产生的唯一有害排放物是氮氧化合物。

而稀薄燃烧可大大降低氮氧排放，宝马公司研制的最新一代氢燃料内燃机采用全新的控制策略，很好地控制了N（X的排放量。

实验证明，非增压条件下催化器前的NOx排放量可以控制在10010'6以内，催化器后的NOx接近为零。

燃料适用性好。

氢燃料内燃机对氧气的纯度要求很低。

装在储气罐内的氢气浓度传感器可以自动检测燃料的纯度。

控制系统根据车辆的负荷要求自动调节每循环喷入汽缸的燃料总量,保证在不同纯度的燃料下都可以获得相同的动力输出。

氢燃料内燃机的另一大优点是可使用多种燃料。

只要内燃机设计得当，氢燃料内燃机必要时也可以转换成汽油机运行。

德国宝马汽车公司研发的首辆氢燃料内燃机汽车正是建立在此基础之上，该汽车同时配备有氢气储气罐和汽油油箱，当氢气供应不足时，内燃机会自动从汽油油箱中提取燃料。

这样一来，氢燃料内燃机汽车对“加氢站”的依赖问题得到一定程度的缓解。

这一优势在氢气推广使用的初期尤为突出，可以让司机在充分享受新型清洁能源的同时，不必担心找不到加氢站而抛锚。

6国内外氢内燃机发展现状和展望

6.1国外氢内燃机研究现状

美国、欧洲和日本的部分汽车公司和大学等研究机构正在进行发展氢燃料汽车的有关项目。

宝马汽车公司自1978年开始开发以氢气为燃料的内燃机及汽车。

从柴油机/内燃机的改造开始，到现在已经研发了六代氢燃料内燃机驱动的轿车。

2004年9月，宝马集团在法国Mha-mas用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度纪录。

该车装备6升V12氢燃料内燃机，最大功率为210千瓦（285马力）,0-100公里/小时加速约6秒钟，最高速度达302.4公里/小时。

它的惊人表现清楚地证明,氢动力汽车的性能完全可以做到丝毫不逊于传统能源汽车。

宝马集团董事博克哈德•格谢尔（BuAhanlGoeschel）指出“这9项纪录是进入氢时代的始点。

宝马氨能技术已经取得极大进展。

现在已经到了与政界和能源行业一起努力，把可持续移动性的憧憬化为现实的时候了”。

目前，德国正在慕尼黑、柏林等大城市建设氢气加气站，同时，宝马公司已经对车用氢内燃机的启动、冷却和NOx控制都已经提出了具体方案，计划从2006年开始，逐步将氢燃料内燃机动力的宝马7系轿车推向市场。

福特公司开发的U型概念车既可以用汽油，也可以用氢气作为燃料。

福特公司宣称，氢气能够将内燃机效率提高25%至30%,而这一效率已和氢燃料电池大致一样。

在氢燃料内燃机工作过程中，包括二氧化碳在内的污染物排放几乎可以忽略不计。

2005年初，福特汽车公司宣布佛罗里达州将成为于2006年推出的氢动力内燃机福特E-450客车的第一个用户。

德州达拉斯-沃斯堡（Dallas-FortWorth）机场正与福特汽车公司讨论明年成批购置V-10氢动力内燃机客车的计划。

这种客车可承载包括司机在内的12名乘客和行李，装配98升的氢气燃料箱,预计可行驶241公里。

福特公司推出的U型SUV氢燃料混合动力是一款典型的军民两用型车辆。

该车采用一台2.3升四冲程增压氢燃料内燃机，与电传动系统组成混合动力系统。

动力系统的热效率达到38%,比传统内燃机高出25%以上,续航历程达到300英里。

该车的另一特点是可以在任何气候下运行、低温启动无需任何加温设备。

这一车型已经引起了美国军方的强烈关注。

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奔驰公司自70年代起就开始了这一领域的预研工作,1978年开发了第一辆氢燃料样车，采用氢与空气均匀混合后从内燃机进气管吸入气缸的供给方式。

近几年奔驰公司又将氢燃料项目列入进一步的研究课题“HYPASS”,开展