袁 飛 施 揚(yáng) 顧凱凱

（1、浙江中山化工集團(tuán)股份有限公司上海分公司，上海200333 2、上汽商用車技術(shù)中心，上海200000 3、浙江高成綠能科技有限公司，浙江 長(zhǎng)興313100）

燃料電池技術(shù)發(fā)展幾起幾落，2014～2015 年在純電動(dòng)汽車補(bǔ)貼退坡確立而燃料電池汽車補(bǔ)貼不退反增與豐田燃料電池汽車Mirai 強(qiáng)勢(shì)發(fā)布的共同影響下，燃料電池在國(guó)內(nèi)開始了爆發(fā)式發(fā)展。在大勢(shì)向好的背景下各行各業(yè)紛紛向氫能和燃料電池靠攏，熱點(diǎn)層出不窮，亂象時(shí)有發(fā)生。為了理清思路，開展有價(jià)值工作，有必要通過類比對(duì)燃料電池進(jìn)行剖析，而類比參考目標(biāo)最佳選擇是內(nèi)燃機(jī)。又因燃料電池類別和潛在應(yīng)用場(chǎng)景較多，而內(nèi)燃機(jī)的種類和實(shí)際應(yīng)用也很廣泛，故文章范圍主要聚焦于車載質(zhì)子交換膜燃料電池與車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃料電池是氫能源應(yīng)用發(fā)展的重要載體，如同內(nèi)燃機(jī)是汽、柴油應(yīng)用的重要載體一樣，在對(duì)燃料電池和內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行分析的同時(shí)有必要對(duì)它們使用的燃料進(jìn)行分析。本研究重點(diǎn)在陳述具體現(xiàn)象或情況，所涉及對(duì)未來可能性描述是基于可再生能源成為全球主要能源的假設(shè)，但未來能源體系的演變涉及的因素太多，通過本研究亦可能存在預(yù)判不足。

1 基礎(chǔ)對(duì)比研究

1.1 反應(yīng)機(jī)理

內(nèi)燃機(jī)本質(zhì)是通過燃燒的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，最終通過熱傳導(dǎo)（吸熱、放熱、溫度變化）和做功（扭矩變化、轉(zhuǎn)速變化）對(duì)外體現(xiàn)出來，通俗的說就是熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。因此燃燒是內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的必要條件，燃料燃燒過程是內(nèi)燃機(jī)研究最重要的領(lǐng)域。燃燒三要素包括可燃物、助燃劑、火源，在內(nèi)燃機(jī)中分別對(duì)應(yīng)汽油、空氣、火花塞。燃燒也是一種氧化還原反應(yīng)，其中汽油燃燒的過程相當(dāng)復(fù)雜，但化學(xué)反應(yīng)式可簡(jiǎn)易表述為：

其中x 和y 分別代表CO2和CO 的系數(shù)，反應(yīng)生成物中CO2和CO 的多少。若汽油燃燒完全度低，那么CO 較高，反之則CO2較高[1]。汽油中含硫，反應(yīng)后有SO2的產(chǎn)生。內(nèi)燃機(jī)排氣溫度搞到700～800℃，造成NOx 產(chǎn)生，這是內(nèi)燃機(jī)最主要的有害排放物。從上述汽油反應(yīng)原理描述可以做出如下推斷：（1）汽油燃燒帶來CO2排放；（2）汽油燃燒帶來有害物產(chǎn)生。燃料電池本質(zhì)是通過電化學(xué)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，最終通過熱傳導(dǎo)（吸熱、放熱、溫度變化）和電力變換（斬波、逆變）對(duì)外體現(xiàn)出來。若要獲得機(jī)械能則還需要借助驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電- 機(jī)的能量轉(zhuǎn)化，能量轉(zhuǎn)化形式也是兩次。電化學(xué)是燃料電池實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的必要條件，電化學(xué)過程是燃料電池研究最重要領(lǐng)域。電化學(xué)反應(yīng)的基本條件是陽電極、陰電極、電解液，在燃料電池中分別對(duì)應(yīng)氫氣、空氣、質(zhì)子膜。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)式可表述為：

上述反應(yīng)為主反應(yīng)，副反應(yīng)會(huì)有H2O2產(chǎn)生，其強(qiáng)氧化作用對(duì)燃料電池整體性能不利，因此如何減少甚至消除H2O2是燃料電池研究熱點(diǎn)之一。燃料電池電化學(xué)過程對(duì)濕度有明顯要求。從上述對(duì)氫氧電化學(xué)反應(yīng)原理描述可以做出如下推斷：

（1）氫氧電化學(xué)反應(yīng)沒有污染；

（2）水管理是燃料電池反應(yīng)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

1.2 系統(tǒng)效率

在反應(yīng)機(jī)理對(duì)比的同時(shí)必然涉及效率對(duì)比。效率對(duì)任何有源設(shè)備而言始終是重要技術(shù)指標(biāo)，尤其在今天環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)雙重要求的交織下，提高系統(tǒng)效率是最好的平衡術(shù)。

內(nèi)燃機(jī)最主要的效率表征是熱效率，定義為單位時(shí)間內(nèi)有效功率的熱當(dāng)量與燃料所含熱量的比值。目前大多數(shù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率在28%～33%之間，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較汽油機(jī)高30%左右，大概在36%～42%。有效功率又叫軸功率，指內(nèi)燃機(jī)輸出軸的凈功率。目前已知曉的熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)是馬自達(dá)SKYACTIV-X 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，熱效率最高達(dá)到51%。2010 年美國(guó)汽車研究委員會(huì)（USCAR）學(xué)術(shù)會(huì)議提出“關(guān)于車用內(nèi)燃機(jī)效率的總結(jié)報(bào)告”，結(jié)論是活塞式內(nèi)燃機(jī)最大有效熱效率不考慮摩擦損失可達(dá)60%。有專家建議我國(guó)也應(yīng)積極參與內(nèi)燃機(jī)熱效率極限的研究[2]。內(nèi)燃機(jī)有許多提高熱效率的先進(jìn)技術(shù)，比如汽油壓燃著火（GCI）、均質(zhì)充量壓燃（HCCI）、雙燃料低溫預(yù)混合燃燒（RCCI）等燃燒技術(shù)，或者可變界面渦輪增壓（VGT）、電動(dòng)增壓（eBooster）等增壓技術(shù)，又或智能停缸、工質(zhì)移缸、缸內(nèi)噴水等[3]。

燃料電池的效率主要有理論效率和實(shí)際效率。理論效率也叫燃料電池可逆熱力學(xué)效率，是單位燃料的吉布斯自由能與燃料所含熱量的比值，在室溫室壓下的氫- 氧燃料電池可逆熱力學(xué)效率能夠達(dá)到83%[4]。實(shí)際效率顯然比可逆熱力學(xué)效率低，主要原因是燃料電池反應(yīng)過程存在電壓損耗和燃料利用損耗，因此實(shí)際效率應(yīng)該等于可逆熱力學(xué)效率與電壓效率、燃料利用率的乘積。通常而言氫- 氧燃料電池的實(shí)際效率在50%～60%。但這僅僅是指燃料電池電堆的效率，未涉及系統(tǒng)，更未涉及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)比內(nèi)燃機(jī)的輸出軸凈功率，燃料電池應(yīng)該將系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)囊括進(jìn)行計(jì)算。按照目前中國(guó)國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，一臺(tái)額定60kW 級(jí)的燃料電池系統(tǒng)對(duì)應(yīng)電堆功率在75kW 左右，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（含驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器）的綜合效率在90%左右，因此燃料電池從氫氣到驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的實(shí)際效率在36%～43%。這個(gè)數(shù)值和內(nèi)燃機(jī)相比并沒有很大的優(yōu)勢(shì)，這主要是國(guó)內(nèi)的情況。目前了解最高效率的燃料電池系統(tǒng)是德國(guó)尤利希研究中心（ForschungszentrumJülich）2019 年發(fā)布的燃料電池系統(tǒng)，最高效率達(dá)到62%，該效率指的是發(fā)電效率，若能夠用于車載的效率大概在56%左右；不過該燃料電池系統(tǒng)是固態(tài)氧化物（SOFC）體系，并非車載常用的質(zhì)子交換膜（PEMFC）體系，且單堆功率較小，只有5kW。再往下是現(xiàn)代2019 年發(fā)布的NEXO 車型上的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)效率達(dá)到60%[5]，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)到輸出軸的效率在54%，的確比普通的內(nèi)燃機(jī)效率高很多，目前在國(guó)內(nèi)尚做不到。繼續(xù)提高效率是燃料電池發(fā)展的必然趨勢(shì)，而與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)主要有大幅提高反應(yīng)過程的質(zhì)子遷移數(shù)、提高反應(yīng)溫度和陰、陽極氣體壓力[6]、降低以空壓機(jī)為主的輔助器件功耗、優(yōu)化電力電子能量管理路勁等。

1.3 燃料的全生命周期

目前車用燃料多元化趨勢(shì)比較明顯，不再僅僅是以前的汽油和柴油，純電、油電、插電、天然氣、乙醇汽油、甲醇、氫氣等燃料雖然數(shù)量依然有限，但在不同的場(chǎng)景均有應(yīng)用。把這些燃料從原料獲取、燃料制備、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加注、使用整個(gè)過程進(jìn)行梳理，得到不同燃料的能耗、排放信息，通過這些信息可以了解它們?cè)谌芷谥械膶?shí)際情況，為車用燃料演變趨勢(shì)提供素材。

燃料全生命周期（WTW：wellto wheels） 分 為 WTT（wheelstotank）和TTW（tanktowheels）。先看能耗，按照有關(guān)機(jī)構(gòu)研究，得到如下數(shù)據(jù)[7]：

從表1 可以看出，1 兆焦不同燃料從獲取到油箱階段需要的能耗數(shù)值。其中電力和氫氣主要是將一次能源通過燃燒或者重整汽化轉(zhuǎn)化為二次能源，因此該階段能耗較高。目前中國(guó)電力有76%通過燃煤發(fā)電，可再生能源發(fā)電比例不斷提高能夠減少電力在WTT 階段能耗量。另外氫氣主要考慮通過天然氣重整或煤氣化來獲取，若將部分工業(yè)廢氣提純因素進(jìn)行考慮將降低氫氣在該階段的其能耗指標(biāo)。

表2 TTW 階段各類燃料能耗表 單位：千焦/千米

從表2 可以看出，汽車行駛1 千米不同燃料所提供的能量。很明顯，電力效率最高，這與電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，過程僅進(jìn)行了一次能量轉(zhuǎn)化關(guān)系密切。汽油、柴油、天然氣都是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；氫氣是化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能，然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，都是兩次能量轉(zhuǎn)化。從數(shù)據(jù)中也可以看出，雖然有達(dá)到50%效率的內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)，但內(nèi)燃機(jī)整體效率比燃料電池整體效率偏低。

在統(tǒng)一計(jì)算依據(jù)后對(duì)上述燃料進(jìn)行全生命周期統(tǒng)計(jì)入圖可知曉電力能耗最少，其次是氫氣，其它燃料能耗較高。詳見圖1。

圖1 各類燃料全生命周期能耗圖

再看排放。在WTT 階段，主要通過一次能源燃燒或重整汽化的電力和氫氣排放必然遠(yuǎn)高于通過從一次能源提煉而來化石燃料。其中電力由于中國(guó)發(fā)電結(jié)構(gòu)的原因使得該階段排放是最高的。但在TTW 階段，電力和氫氣均屬于零排放，而化石燃料在該階段的排放較高。綜合多項(xiàng)排放物合并兩個(gè)階段數(shù)據(jù)得到相關(guān)燃料在全生命周期的排放情況如圖。由圖可以看出電力的排放太大，這也是純電動(dòng)車備受環(huán)保詬病的重要原因。另外，綜合看氫氣的排放少于化石燃料。

圖2 各類燃料全生命周期排放圖

表1 WTT 階段各類燃料能耗表 單位：千焦/兆焦

從上述描述得到如下結(jié)論：

（1）從全生命周期而言，氫氣比以汽油為代表的化石燃料在能耗和排放上都有優(yōu)勢(shì)。

（2）可再生能源使用比例加大會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大氫氣的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 應(yīng)用對(duì)比研究

燃料電池是燃料在膜電極兩側(cè)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，遵循電極上電子運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律，屬于原電池范疇。內(nèi)燃機(jī)是燃料在缸體內(nèi)燃燒，遵循卡諾循環(huán)原理，屬于典型的熱機(jī)范疇。燃料電池在固定式和便攜式領(lǐng)域常被稱為“燃料電池發(fā)電機(jī)”或“燃料電池電源”，在交通領(lǐng)域常被稱為“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”或“燃料電池增程器”，除了原理和燃料區(qū)別外其在應(yīng)用中與內(nèi)燃機(jī)也有許多不同點(diǎn)。

排放。燃料電池污染要分具體情況：（1）單純考慮氫氣通過電化學(xué)發(fā)電的反應(yīng)過程是沒有污染。（2）氫氣若來源于可再生能源發(fā)電后水電解制氫，過程是清潔的。（3）氫氣來源于工業(yè)廢氣，比如氯堿副產(chǎn)氫或焦?fàn)t煤氣提純，只要過程中對(duì)其他廢氣進(jìn)行統(tǒng)一處理，那么提純的氫氣也相對(duì)清潔。（4）氫氣來源于化石能源，無論是水煤氣裂解還是甲醇重整都不可能完全清潔，只是將發(fā)電端的“零排放”應(yīng)該承擔(dān)的污染放到了燃料制備端。就短中期來看，化石能源制氫是必選項(xiàng)，且占比很高，現(xiàn)有燃料電池和真正的清潔能源還有較大距離。內(nèi)燃機(jī)污染無法避免，但可以通過技術(shù)手段降低污染，手段主要有干預(yù)燃燒過程減少污染物生成，并通過催化進(jìn)一步降低已生成的污染物。內(nèi)燃機(jī)最重要的污染物是NOx。

能源轉(zhuǎn)換形式。燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能和熱能。其中電能占大約1/2，可以儲(chǔ)存到儲(chǔ)能體中，也可以通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。另外的1/2 為熱能，大部分通過冷卻介質(zhì)對(duì)流帶走。內(nèi)燃機(jī)是將化學(xué)能首先轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為熱能和機(jī)械能。其中機(jī)械能以系統(tǒng)對(duì)外做功體現(xiàn)，大約占內(nèi)能的1/3，大部分為有用功轉(zhuǎn)化到輪上；剩下的內(nèi)能將轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生熱能，1/3 經(jīng)過排氣系統(tǒng)排走，1/3 通過內(nèi)燃機(jī)的殼體散掉。從能源轉(zhuǎn)化形式可以明顯看出，傳統(tǒng)定義范疇中的燃料電池對(duì)比內(nèi)燃機(jī)少了電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)。若將燃料電池電堆部分看成內(nèi)燃機(jī)氣缸，那么在燃料電池以外的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以看成內(nèi)燃機(jī)的曲軸。僅從集成度來看，燃料電池與電機(jī)的集成難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣缸與曲軸的集成，若再考慮系統(tǒng)中的DC，集成性更不樂觀。

應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)能源的需求。燃料電池在交通領(lǐng)域，電能還不能直接驅(qū)動(dòng)車輛，必須通過斬波，再利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)化，與內(nèi)燃機(jī)一樣也轉(zhuǎn)化了兩次。內(nèi)燃機(jī)在交通領(lǐng)域最終提供了機(jī)械動(dòng)力，這是主線。但隨著車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛的興起，車輛電動(dòng)化（不僅僅是驅(qū)動(dòng)力電動(dòng)化）趨勢(shì)越發(fā)明顯，機(jī)械能再次轉(zhuǎn)化為電能無疑是一種浪費(fèi)。目前的情況是燃料電池發(fā)電在交通領(lǐng)域似乎不足以挑戰(zhàn)內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用，但內(nèi)燃機(jī)卻受到來自車輛電動(dòng)化的巨大挑戰(zhàn)，而燃料電池又是車輛電動(dòng)化的方案之一。在發(fā)電領(lǐng)域，燃料電池僅需要轉(zhuǎn)化一次。假若氫氣在未來某個(gè)時(shí)點(diǎn)的管控形式從?；忿D(zhuǎn)為能源品，那么必然對(duì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電領(lǐng)域帶來巨大的沖擊。另外內(nèi)燃機(jī)發(fā)電在排放和轉(zhuǎn)化效率上都沒有優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)集成度和性能指標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)發(fā)展上百年，整體集成技術(shù)已經(jīng)極其完善，進(jìn)行深度挖掘難度很大。燃料電池的集成還有大量工作需要做，無論是Clarity，還是NEXO，都能發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的現(xiàn)象-- 燃料電池系統(tǒng)集成度越來越高，但集成的軌跡與內(nèi)燃機(jī)幾乎完全重合，這點(diǎn)在乘用車上尤其明顯，借助傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)集成技術(shù)來發(fā)展燃料電池是必選項(xiàng)。比如2019 年奔馳發(fā)布了GLC 燃料電池版，其燃料電池系統(tǒng)也如上述進(jìn)行了高度集成，而空氣增壓采用了燃料電池空氣廢氣與電渦輪同時(shí)增壓的技術(shù)，明顯借鑒于內(nèi)燃機(jī)。

功率密度是系統(tǒng)集成度最重要指標(biāo)，但內(nèi)燃機(jī)和燃料電池在理解上有比較大的區(qū)別。升功率是內(nèi)燃機(jī)重要指標(biāo)，是指功率與氣缸有效體積之比，但該指標(biāo)不適合用于燃料電池。燃料電池中描述電堆經(jīng)常用功率/體積較多，主要是因?yàn)殡姸研螤钜?guī)則；而描述燃料電池系統(tǒng)經(jīng)常用功率/重量較多，主要是系統(tǒng)集成度較低導(dǎo)致體積難以表述。燃料電池電堆目前國(guó)內(nèi)水平在2kW/L 左右，國(guó)外在3.1kW/L 以上。內(nèi)燃機(jī)中的氣缸應(yīng)該對(duì)應(yīng)燃料電池電堆，這個(gè)指標(biāo)也不太適合內(nèi)燃機(jī)氣缸。燃料電池系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)水平在150～300W/ Kg 和200W/L 左右，由于系統(tǒng)組成定義沒有標(biāo)準(zhǔn)，因此參考價(jià)值不大?，F(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)功率密度指標(biāo)在500W/L 和500W/kg 左右，燃料電池差距還很大。

響應(yīng)時(shí)間。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，燃燒升溫迅速。燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，特別冷態(tài)情況下必須等待冷卻介質(zhì)溫度升高以后才能大功率放電。表3 是國(guó)內(nèi)某公司55kW 燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間[8]，可以看到燃料電池在冷態(tài)情況下的動(dòng)態(tài)特性極差，這與其反應(yīng)溫度較低、質(zhì)子膜抗沖擊能力不足都有關(guān)系。

表3 燃料電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

動(dòng)態(tài)特性不足導(dǎo)致燃料電池在應(yīng)用存在缺陷，目前主流的方案是用鋰動(dòng)力電池的高動(dòng)態(tài)特性彌補(bǔ)燃料電池短板。鋰動(dòng)力電池容量約小說明燃料電池動(dòng)態(tài)特性越好，比如豐田Mirai 中的鋰動(dòng)力電池只有1.6Kwh。業(yè)內(nèi)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)直接提供給車輛驅(qū)動(dòng)的功率達(dá)不到50%就不應(yīng)稱為發(fā)動(dòng)機(jī)。未來燃料電池在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面必須要有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，而前進(jìn)的目標(biāo)就是內(nèi)燃機(jī)。

燃料和燃料控制方式。車載燃料電池的燃料基本都是氫氣，是以氣態(tài)的形式存儲(chǔ)在高壓氫氣罐中。內(nèi)燃機(jī)的燃料通常是液態(tài)為主，也存在高壓氣體的形式，比如天然氣、氫氣內(nèi)燃機(jī)等。內(nèi)燃機(jī)最典型的燃料控制方式有管道噴射和缸內(nèi)直噴，也有兩種噴射方式同時(shí)存在的情況。燃料電池?zé)o論是比例閥開度控制，還是噴氫閥組件頻率控制形式都屬于堆外操作，可視為管道操作，尚未有氫氣在電堆內(nèi)部操作的控制方式。另外燃料電池中的氫氣自帶高壓，不需啟動(dòng)壓力。內(nèi)燃機(jī)燃料主要是液態(tài)常壓，需要燃油泵對(duì)燃料進(jìn)行輸送，也需要高壓油泵給噴油嘴提供動(dòng)力。

噪聲。燃料電池的噪聲比較小，除了與氣體操作有關(guān)的聲音外幾乎沒有其他聲音，因此其隱蔽性好，對(duì)環(huán)境也更友好。內(nèi)燃機(jī)的噪聲相對(duì)大一點(diǎn)，其空氣系統(tǒng)因壓縮、排氣產(chǎn)生的聲音與燃料電池類似，另外還有燃料在氣缸內(nèi)燃燒的聲音。另外活塞磨損和積碳都會(huì)造成內(nèi)燃機(jī)噪聲增大，有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)楸鹪斐蓸O大的噪聲，而減少爆震幾率是內(nèi)燃機(jī)控制的重要任務(wù)之一。

系統(tǒng)構(gòu)型。內(nèi)燃機(jī)的空氣系統(tǒng)與燃料電池相似度最大，空濾、空壓機(jī)、背壓閥、空氣流量計(jì)等雙方都有涉及。不同點(diǎn)在于內(nèi)燃機(jī)的空壓機(jī)一般是機(jī)械增壓或者廢氣增壓，會(huì)有一定的遲滯，而燃料電池系統(tǒng)的空壓機(jī)是電動(dòng)增壓。隨著車輛電氣化鋪開，采用電動(dòng)增壓的內(nèi)燃機(jī)也逐漸增加。自增濕技術(shù)一直是燃料電池研究的熱點(diǎn)，但目前大多數(shù)燃料電池系統(tǒng)在空氣側(cè)都加裝了外增濕器，這是在內(nèi)燃機(jī)中沒有的零部件。在燃料側(cè)，油箱壓力不高，但噴油壓力很高，最高可達(dá)100Mpa 以上，其壓力來源于高壓油泵和噴嘴；而燃料電池系統(tǒng)中的高壓供氫最高工作壓力為70Mpa（國(guó)內(nèi)35Mpa），電堆進(jìn)口的氫氣壓力一般都小于0.2Mpa。內(nèi)燃機(jī)燃料的消耗很快速，未燃盡的燃料是無法回收的，會(huì)拉低系統(tǒng)效能且給環(huán)保帶來壓力，需要對(duì)燃油進(jìn)行精準(zhǔn)控制。燃料電池中的氫氣一般設(shè)置過量，未反應(yīng)的可以通過循環(huán)的方式再次利用。另外，內(nèi)燃機(jī)沒有DC，冷卻介質(zhì)對(duì)電導(dǎo)率沒有要求，尾排因?yàn)槲廴疚镄杓釉O(shè)三元催化處理，這些都是與燃料電池明顯的構(gòu)型區(qū)別。最后，內(nèi)燃機(jī)一般都設(shè)置有碳罐，用于將揮發(fā)的燃料導(dǎo)入到燃燒室燃燒，防止揮發(fā)物釋放到大氣中，而氫燃料電池則沒有這樣的裝置。

3 典型產(chǎn)品對(duì)比研究

通過典型燃料電池和內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品介紹能夠了解目前全球范圍內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域最新的技術(shù)狀態(tài)，再以此為基礎(chǔ)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比尋找更有價(jià)值信息。

3.1 兩款燃料電池系統(tǒng)介紹

本田汽車公司于 2016 年推出的 Clarity fuel cell powertrain。該產(chǎn)品系統(tǒng)功率推算在80～85kW 左右（電堆峰值功率103kW），相當(dāng)于小型轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。主要技術(shù)特征如下：（1） 媲美傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)集成度。Clarity fuel cell powertrain 將燃料電池系統(tǒng)的重要零部件集成為一個(gè)整體，擁有與V6 發(fā)動(dòng)機(jī)相近尺寸，見圖3[9]。這是量產(chǎn)版燃料電池系統(tǒng)第一次在空間和器件布局上達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的集成要求，體現(xiàn)了兩個(gè)信息：第一，燃料電池系統(tǒng)的集成方向是由內(nèi)燃機(jī)牽引，特別在乘用車領(lǐng)域。第二，燃料電池系統(tǒng)性能指標(biāo)離內(nèi)燃機(jī)差距較大。3.5L V6 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)峰值功率大致在210kW 左右，燃料電池系統(tǒng)在相同體積下與傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)還有2.4 倍的功率/體積差距。需要將國(guó)際主流3.1kW/L 的電堆功率密度提升到7.4kW/L，系統(tǒng)功率密度從225W/L 提升到500W/L。

圖3 Clarity fuel cell powertrain與3.5L V6 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)體積對(duì)比

（2）改變單電池結(jié)構(gòu)定義。以往單電池組成為：1 片陰極流道板+1 片MEA+1 片陽極流道板，陰極流道板與下一個(gè)單電池的陽極流道板通過粘接方式形成冷卻液流道。Clarity fuel cell powertrain 中單電池組成為：1 片陰極流道板+1 片MEA+1 片共用流道板+1 片MEA+1 片陽極流道板+1 冷卻流道，但冷卻液流道在兩邊都有，每個(gè)冷卻流道要同時(shí)對(duì)兩邊的單電池服務(wù)[10]?，F(xiàn)有方案相當(dāng)于傳統(tǒng)方案的兩個(gè)單體，但卻節(jié)省了1 個(gè)流道板和1 個(gè)由陰陽流道板組成的冷卻液流道。（3）基于SiC 技術(shù)的燃料電池升壓器。極大減小元器件尺寸，提升了效率，更高的抗高溫能力降低了熱管理門檻。

現(xiàn)代在2019 年推出了配置在NEXO 上的燃料電池系統(tǒng)。該產(chǎn)品電堆功率為95kW，由440 片單體組成，其集成方式與Clarity fuel cell powertrain 幾乎一樣，但卻在諸多方面超越了Mirai 和Clarity[11]。該產(chǎn)品自身主要特點(diǎn)有：（1）第一次將不銹鋼雙極板用于量產(chǎn)燃料電池車型上，這種不銹鋼材料是一種超薄鐵素體（FSS）材料，耐腐蝕能力極強(qiáng)。該雙極板在工藝上采用了0.075 和0.1mm 兩種薄板，通過雙階段沖壓技術(shù)形成了微通道3D 流道，其中第一次成型為中間過程，基于該過程形成的物理量進(jìn)行第二次成型，第二次成型能夠?qū)⒕植坎牧媳』綐O致，大大增加微通道比表面積[12]。成型后的雙極板不需要經(jīng)過特殊的鍍層或防腐處理，極大提高了效率。（2）第一次將四通閥用在了汽車上，通過四通閥和節(jié)溫器構(gòu)成了不同的冷卻液熱管理路徑，即解決了汽車-30℃冷啟動(dòng)的問題，也為乘客艙快速升溫提供了保證。為了達(dá)到上述目的，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置了3 個(gè)加熱器。（3）該款燃料電池系統(tǒng)還將加濕器與中冷器進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)集成度。（4）在陰、陽兩端加設(shè)氣體截止裝置防止超壓，強(qiáng)化了系統(tǒng)的安全性。

3.2 兩款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)介紹

Dynamic Force Engine 是豐田汽車公司于2017 年搭載在第八代凱美瑞汽車上的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其中汽油版熱效率達(dá)到40%。該款發(fā)動(dòng)機(jī)沒有任何新技術(shù)的突破，但進(jìn)行了大量的技術(shù)優(yōu)化，這些優(yōu)化主要體現(xiàn)在：（1）D-4S 雙噴射系統(tǒng)，即在車輛低負(fù)荷采用歧管噴射，在高負(fù)荷采用缸內(nèi)直噴。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)質(zhì)是氣道噴射（PFI：port fuel injection）和缸內(nèi)直噴（GDI：gasoline direct injection）兩項(xiàng)技術(shù)的集成[13]，取得了節(jié)油和排放的均衡。（2）進(jìn)、排口角度從31°增加到41°，且將氣道由彎道改為直道，使用激光熔膜工藝制造進(jìn)氣門座，減少阻力，氣流更加順暢，提升了效率。在進(jìn)氣道的末端，將原先圓滑過渡的弧形改為一個(gè)類似滑道的突起形狀，保證了氣流在進(jìn)入氣缸后的集中度，結(jié)合更高的進(jìn)氣流速產(chǎn)生的渦流更加明顯，油氣混合更均勻，圖4 中的藍(lán)色細(xì)絲線表示渦流強(qiáng)度[14]。（3）采用了鏡面加工的活塞面能有效減少摩擦力，提高了沖程效率。（4）減小缸徑尺寸，增加沖程高度，使壓縮比提高到13：1，帶來了更佳燃燒效率。具體表現(xiàn)為油氣混合物在燃燒的過程中能更加快速的充滿燃燒室，獲取更快速的燃燒時(shí)間。（5）進(jìn)氣側(cè)VVT-iE 智能可變氣門正時(shí)電子控制系統(tǒng)。提高可變氣門正時(shí)控制的速率和范圍，使發(fā)動(dòng)機(jī)從低負(fù)荷到高負(fù)荷均能接受更為合理的進(jìn)氣量。

圖4 氣道優(yōu)化后的渦流效果

SKYACTIV-X 是馬自達(dá)汽車公司預(yù)計(jì)于2020 年初上市銷售的一款自然吸氣式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，熱效率高達(dá)51%。該款發(fā)動(dòng)機(jī)首次引入了HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）技術(shù)，其主要技術(shù)特點(diǎn)有：（1）HCCI 技術(shù)，俗稱均質(zhì)充量壓燃。該技術(shù)是以稀薄燃燒為基礎(chǔ)，加大空氣量大幅提高空燃比，相較傳 統(tǒng)14.7：1 的 空 燃 比，SKYACTIV-X 超 出2 倍 甚 至 更 多。SKYACTIV-X 將壓縮比提高到16.3：1，為汽油壓燃創(chuàng)造了條件，壓燃為發(fā)動(dòng)機(jī)帶來了更高的性能輸入。SKYACTIV-X 在汽油壓燃的基礎(chǔ)上利用火花塞點(diǎn)燃技術(shù)解決了大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用瓶頸，并實(shí)現(xiàn)壓燃和點(diǎn)燃的穩(wěn)定切換。該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用具有里程碑的意義，有國(guó)外學(xué)者認(rèn)為HCCI 的成功證明了內(nèi)燃機(jī)的道路遠(yuǎn)未到盡頭[15]，比如號(hào)稱熱效率高達(dá)60%的RCCI 發(fā)動(dòng)機(jī)也在開發(fā)的道路上。但也有專家認(rèn)為這是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最后一次重大突破，畢竟汽車電動(dòng)化的浪潮是如此兇猛，而馬自達(dá)認(rèn)為這種通過雙燃料屬性結(jié)合的技術(shù)后內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)再難進(jìn)行深入的技術(shù)挖掘[16]。（2）分段燃油噴射，即在進(jìn)氣道中提前噴油進(jìn)行油氣預(yù)先混合，再在壓縮沖程過程中進(jìn)行缸內(nèi)噴油。該項(xiàng)技術(shù)主要是防止異常燃燒。分段燃油噴射與D-4S 雙噴射系統(tǒng)不同之處在于一個(gè)是分階段執(zhí)行，另一個(gè)是分工況執(zhí)行。（3）超高壓噴油，利用高達(dá)100Mpa 的噴射壓力帶來更加強(qiáng)烈的湍流，加快油氣混合，提高燃燒效率。（4）使用提高空氣量為目的的可解耦增壓器。

Clarity 和NEXO 上的燃料電池系統(tǒng)代表目前全球最先進(jìn)的量產(chǎn)燃料電池技術(shù)， 而 Dynamic Force Engine 和SKYACTIV-X 代表目前全球最先進(jìn)或者說熱效率最高的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。三個(gè)來自日本，一個(gè)來自韓國(guó)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)中的新技術(shù)層出不窮，而內(nèi)燃機(jī)的新技術(shù)較少。內(nèi)燃機(jī)許多技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到極致，性能、工藝、成本控制都相當(dāng)成熟；燃料電池除電化學(xué)以外的大部分技術(shù)可以借鑒內(nèi)燃機(jī)成熟技術(shù)。

4 在未來能源體系中定位研究

關(guān)于定位研究主要分兩部分，一是燃料定位，即氫氣與汽、柴油在未來能源體系中的定位；二是產(chǎn)品定位，即燃料電池與內(nèi)燃機(jī)在未來能源體系的角色。

4.1 燃料定位

氫是宇宙中存在最多的元素，在地球上氫主要存在于水中。氫氣獲取方式廣泛，可以來自可再生能源，也可來自非再生能源?？稍倌茉粗械奶柲?、風(fēng)能、潮汐能都可以發(fā)電，然后再利用電解水的方式產(chǎn)生氫氣。雖然整個(gè)過程存在兩次能量轉(zhuǎn)化，但從全球能源體系構(gòu)建而言還有更深層次的原因：以二次能源為主的能源體系構(gòu)架中需要同時(shí)存在含能體能源和過程性能源，由于含能體能源與過程性能源無法互相替代的屬性[17]，因此一次能源發(fā)電再通過電解水制氫主要目的是獲取穩(wěn)定的含能體能源，平衡能源體系架構(gòu)。含能體能源主要特點(diǎn)是含有能量但不能被單獨(dú)使用，且存儲(chǔ)和運(yùn)輸方便，汽、柴油是應(yīng)用最廣泛的含能體能源，諸如煤氣、核燃料也是含能體能源。過程性能源含有能量可以單獨(dú)使用，但一般不便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，電是應(yīng)用最廣泛的過程性能源，諸如壓縮空氣、水切加工用的水也是過程性能源。氫氣與汽油、燃?xì)庖粯訉儆谝环N含能體能源，可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸，而且氫氣是唯一完全清潔的含能體能源，這也是氫氣作為能源的獨(dú)特性。從煤炭到汽油再到氫氣的過程被稱為能源脫碳加氫的過程，更明確的說，這是在可再生能源為一次能源前提下的未來能源藍(lán)圖對(duì)含能體能源清潔化的必然要求。

非再生能源中的煤、天然氣均可用于制備氫氣，過程中會(huì)帶來污染，但在制備端集中對(duì)污染進(jìn)行控制應(yīng)該比把污染放到使用端更為容易，利用化石能源獲取氫氣將排放鎖定在WTT 階段更能有效的控制污染。按照《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》所述煤制氫和天然氣制氫是目前主要方式，中短期內(nèi)這種通過化石能源制備氫氣必然帶來污染。氫氣也可以來自工業(yè)廢氣的純化處理，特別是焦?fàn)t煤氣和氯堿化工中存在規(guī)模價(jià)值的氫氣來源，長(zhǎng)遠(yuǎn)看通過利用可再生能源電解水制氫將有巨大的潛力。以上是主線聲音，但并不是唯一；還有另外一種看法，認(rèn)為氫氣易燃易爆，且運(yùn)輸和存儲(chǔ)并不方便，因此在堅(jiān)持氫能源前提下但應(yīng)該發(fā)展易于獲取和運(yùn)輸?shù)拇碱悾热绫蛔u(yù)為“液態(tài)陽光”的甲醇[18]，通過重整制取氫氣，實(shí)現(xiàn)即產(chǎn)即可。甲醇也是含能體能源，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）獲取容易。特別是中國(guó)，2016年甲醇產(chǎn)量7000 萬噸，占全球產(chǎn)能58%。（2）價(jià)格便宜。對(duì)比汽油6000～7000 元/噸價(jià)格，甲醇在中國(guó)常年處于2500～3500 元/噸水平。即使同熱值比較，甲醇大量的應(yīng)用也可能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。（3）建站方便。甲醇與汽油相似度大，基本可以用原有加油站改建。（4）運(yùn)輸儲(chǔ)存方便。很明顯，在氫能的大趨勢(shì)下還存在路線之爭(zhēng)，但氫能和燃料電池技術(shù)的百花齊放將助推行業(yè)快速發(fā)展。

汽、柴油也都是含能體能源，來源于石油的多次提煉，制備過程中會(huì)有污染產(chǎn)生，且不可以來自可再生能源，獲取方式單一。石油是目前全球能源體系中最重要的能源之一，2019 年全球石油需求在42 億噸左右，其中交通用油（主要是汽、柴油）占比超過50%，需求量持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2035 年石油需求達(dá)到峰值51.1 億噸，而交通用油將在2030 年達(dá)到峰值30 億噸。亞太是唯一石油凈進(jìn)口地區(qū)，尤其是中國(guó)進(jìn)口量巨大，按照《2018 年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》，中國(guó)石油對(duì)外依存度達(dá)到69.8%。中國(guó)的石油需求在2030 年左右將達(dá)到峰值7.05 億噸，其需求在全球占比在2020 年～2030 年間穩(wěn)定在13.5%，此后逐漸回落，其中交通用油占比縮減，石化用油占比將持續(xù)增長(zhǎng)[19]。在此新形式下，石油使用受到巨大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：（1）氣候和環(huán)境保護(hù)要求日益提高帶來全球可再生能源使用增長(zhǎng)率快于化石能源。（2）全球石油儲(chǔ)量峰值預(yù)測(cè)與中國(guó)石油進(jìn)口警戒線雙重疊加，減少石油依賴的心里預(yù)期已經(jīng)形成。（3）交通電氣化趨勢(shì)到來，特別是世界主要國(guó)家禁售燃油車提上日程具有較大指引作用。

綜合以上信息，在未來能源體系構(gòu)建中需要兩種主要能源，一種是便于儲(chǔ)運(yùn)且獲取廣泛的含能體能源，另一種是使用快速高效的過程性能源。電能作為最為理想的過程性能源不應(yīng)有任何異議，而能夠?qū)崿F(xiàn)氫- 電互換的氫氣是否可以充當(dāng)最為理想的含能體能源非常關(guān)鍵。因技術(shù)更迭頻繁，按照目前的趨勢(shì)做出絕對(duì)的判斷并不理性，且價(jià)值有限，故對(duì)氫氣和汽、柴油在未來能源體系中的定位預(yù)設(shè)如下可能：

（1）氫能技術(shù)發(fā)展迅速，在安全性得到保證的前提下氫氣在使用上突破?；废拗?，屆時(shí)特別在中國(guó)氫氣將成為最有價(jià)值的含能體能源，為未來的氫- 電能源體系打下基礎(chǔ)。

（2）純氫在制備、運(yùn)輸、存儲(chǔ)還純?cè)谥T多不足，尤其是安全性問題。燃料電池技術(shù)從大概率看將獲得突破，特別是高溫燃料電池技術(shù)、車載甲醇重整技術(shù)若得到實(shí)質(zhì)應(yīng)用，那么甲醇可能從目前的邊緣氫能燃料變?yōu)橹饕暮荏w能源之一。

（3）全球石油產(chǎn)量和中國(guó)汽車產(chǎn)能可能在2030 年左右同期達(dá)到峰值，以油電和純電為代表的新能源汽車發(fā)展迅猛，屆時(shí)若氫能技術(shù)未能獲得突破（可靠性、成本均在其中）可能面臨被淘汰風(fēng)險(xiǎn)，而石油在交通領(lǐng)域減少應(yīng)用的速度會(huì)變慢。

（4）除非2040 年左右全球主要經(jīng)濟(jì)體確實(shí)發(fā)生燃油車禁售，否則即使到2050 年汽、柴油依然是全球最重要的含能體能源。

4.2 產(chǎn)品定位

燃料電池會(huì)隨著氫能的發(fā)展在諸多應(yīng)用領(lǐng)域興起，會(huì)對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)帶來巨大影響，也會(huì)與儲(chǔ)能和動(dòng)力電池正面競(jìng)爭(zhēng)。

首先在交通領(lǐng)域，燃料電池會(huì)分享部分內(nèi)燃機(jī)原先的份額，這里有兩種可能性：（1）現(xiàn)在來看燃料電池非常適合于長(zhǎng)途重載的交通工具（包括船類），在技術(shù)逐漸成熟后的未來將可能主導(dǎo)該領(lǐng)域的應(yīng)用。而內(nèi)燃機(jī)可能逐漸退出該市場(chǎng)（2）在短途輕載上的應(yīng)用比較復(fù)雜-- 動(dòng)力電池的技術(shù)也在進(jìn)步，特別是固態(tài)電池發(fā)展迅速，是燃料電池產(chǎn)品化必須直面的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。按現(xiàn)有觀點(diǎn)，動(dòng)力電池更適合在短途輕載上，特別是乘用車體系。但從全球車用燃料電池發(fā)展來看，燃料電池在乘用車上的應(yīng)用更為成熟，不應(yīng)僅僅把目光聚集在國(guó)內(nèi)。另外燃料電池對(duì)內(nèi)燃機(jī)的替代是同時(shí)作為含能體能源氫氣對(duì)汽、柴油的替代，這是一個(gè)繼承過程；而動(dòng)力電池對(duì)內(nèi)燃機(jī)的替代是過程性能源對(duì)含能體能源的替換，這才是真正的顛覆。燃料電池在該領(lǐng)域還存在很多不確定性，而內(nèi)燃機(jī)會(huì)逐漸退守到油電混合的技術(shù)路線上去。其次在發(fā)電領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供的燃料電池優(yōu)勢(shì)明顯，大概率會(huì)取代內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，時(shí)間可能還比較久遠(yuǎn)，主要取決于氫氣的制備和儲(chǔ)運(yùn)、燃料電池可靠性、氫能政策推動(dòng)等。另外，由于氫- 電互換的特殊關(guān)系，燃料電池在發(fā)電領(lǐng)域還有一個(gè)重要作用就是儲(chǔ)能。由于動(dòng)力電池儲(chǔ)能的成本較高，且存在回收問題，在該領(lǐng)域無法與燃料電池競(jìng)爭(zhēng)。最后是便攜領(lǐng)域，燃料電池很難與小型儲(chǔ)能電池競(jìng)爭(zhēng)，主要是系統(tǒng)復(fù)雜度導(dǎo)致小型化產(chǎn)品的功率/體積和功率/重量均沒有優(yōu)勢(shì)，但在要求長(zhǎng)續(xù)航的便攜領(lǐng)域燃料電池還是有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)過程中會(huì)比較被動(dòng)，但整個(gè)過程可能很漫長(zhǎng)。期待內(nèi)燃機(jī)在熱效率、排放等方面有革命性的突破，盡管難度很大。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看內(nèi)燃機(jī)不可能消失，總量會(huì)減少，但可能如目前蒸汽機(jī)一樣運(yùn)用到特定或特殊的領(lǐng)域。