朱云堯

（中國汽車工程研究院股份有限公司, 重慶 404100）

0 引言

在能源短缺及全球氣候變化背景下，全球各國都在積極探索能源轉(zhuǎn)型與節(jié)能減排[1]。我國已提出CO2排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和，這需要我國優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)，加快構(gòu)建以可再生能源為主的能源發(fā)展格局[2]。考慮氫燃料的清潔循環(huán)特性[3]，氫能已成為全球能源轉(zhuǎn)型、新一輪碳減排和碳中和的首選方向，被多個國家納入能源戰(zhàn)略部署[2]。

利用氫燃料作為能源的新能源汽車主要有燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）和氫燃料發(fā)動機汽車（Hydrogen- Fueled Engine Vehicle，HFEV）[4]，燃料電池發(fā)動機和氫燃料發(fā)動機[5]是車用氫動力總成2 種完全不同的技術(shù)路線，研究分析2 種氫動力汽車發(fā)展態(tài)勢并對比其發(fā)展差異，對我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其對新能源商用車發(fā)展布局具有重要意義。

本文立足于全球視角，系統(tǒng)全面分析了燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車發(fā)展態(tài)勢，可為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈布局及發(fā)展提供指引參考，并進一步提出氫動力總成及汽車高質(zhì)量發(fā)展建議。

1 氫能及氫動力汽車基本情況

1.1 能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

當(dāng)前，全球能源供給體系仍以碳排放高、不可再生的化石能源為主[6]。考慮到化石能源碳排放對氣候影響較大及持續(xù)走高的價格，世界能源格局向清潔、低碳、綠色、高效、多元方向轉(zhuǎn)變[6]。從各機構(gòu)對全球一次能源需求結(jié)構(gòu)預(yù)測來看，未來30 年，全球一次能源消費中，化石能源仍占72%以上，但中國對未來全球能源格局影響巨大[7]。我國已形成煤炭、石油、天然氣、可再生能源多元能源供需體系[8]。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2022 年12 月，水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電累計裝機規(guī)模分別達到4.13億kW、3.65億kW 和3.93億kW，均居世界首位，能源消費結(jié)構(gòu)正加快向清潔可再生低碳能源轉(zhuǎn)變[6]，具體能源需求及構(gòu)成見圖1。

圖1 2020—2060我國能源需求及構(gòu)成[6]

1.2 氫能定位

為統(tǒng)籌推進“3060”雙碳發(fā)展目標(biāo)，須加快提升以光伏、水電、風(fēng)電等可再生能源電力供給和消費比例。但是，可再生能源電力具有不穩(wěn)定性、間歇性、區(qū)域性等特征，且電力不適合長期存儲。為保障可再生能源電力體系“源網(wǎng)荷儲”互動并確保電網(wǎng)體系安全平穩(wěn)，氫能作為易于存儲、運輸且?guī)缀鯚o任何污染的能源載體[9]，能與可再生能源電網(wǎng)體系有效互動，是推動可再生能源成為我國能源消費主體的重要舉托者[6]，成為推動綠色電力發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各類能源定位見圖2。

1.3 氫能特性

氫能作為化學(xué)儲能能源，可利用廢棄能量制取，因其具有高能量密度和清潔無污染的優(yōu)點被視為未來能源技術(shù)方向[10]。與甲烷、汽油和柴油相比，氫氣具有低熱值高、自燃溫度高、辛烷值高、點火能量小、淬熄距離短、燃燒速度快、燃燒極限范圍廣等優(yōu)點（表1）。

表1 氫氣與其他能源特性對比[2]

1.4 氫動力總成及汽車

我國是全球汽車保有量和產(chǎn)銷量最大的國家，截至2022 年底，汽車保有量為3.19 億輛，其中傳統(tǒng)燃油汽車保有量占比為95.9%，石油對外依存度為71.2%，這給我國能源與交通安全帶來巨大挑戰(zhàn)[11]。新能源汽車是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、減少環(huán)境污染、降低碳排放、實現(xiàn)汽車強國等背景需求下的戰(zhàn)略選擇。

2022年，我國新能源汽車銷量688.7萬輛，其中乘用車銷量655 萬輛，商用車銷量33.7 萬輛。新能源乘用車銷量占乘用車總銷量比例為27.8%，新能源商用車銷量占商用車總銷量比例只有10.2%，整體遠落后于乘用車電動化進程?？紤]到當(dāng)前動力電池能量密度及環(huán)境適應(yīng)性問題，無法滿足商用車長途應(yīng)用場景，氫動力汽車成為新能源商用車長途應(yīng)用重要解決方案之一。

根據(jù)動力原理不同，使用氫動力總成的汽車包括燃料電池汽車和氫燃料發(fā)動機汽車2類。燃料電池發(fā)動機是利用氫氣的化學(xué)能，在燃料電池發(fā)動機膜電極處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的動力裝置。氫燃料發(fā)動機是氫氣和氧氣在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒爆炸推動活塞往復(fù)運動產(chǎn)生機械運動的動力裝置，屬于傳統(tǒng)熱機的范疇。

2 氫動力總成及汽車發(fā)展態(tài)勢

2.1 國外燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

氫能是具有廣闊發(fā)展前景的二次能源，燃料電池汽車作為氫能應(yīng)用終端，受到全球范圍高度關(guān)注[12]。國外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)主要集中在日本、美國、韓國和歐洲，但各個國家和地區(qū)發(fā)展氫能與燃料電池汽車的初衷與路徑不同。

2.1.1 日本燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

國土資源限制與能源獨立愿景是驅(qū)動日本發(fā)展氫能和燃料電池汽車的根本動力[13]。日本氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展分為3 個階段。2000 年前，氫氣制取、運輸和貯存技術(shù)是研究重點；2000—2015年，開展燃料電池汽車示范及補貼推廣應(yīng)用；2015 年后，推動基礎(chǔ)設(shè)施加氫站的建設(shè)，制定燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，燃料電池汽車與加氫站協(xié)同發(fā)展。對于日本，發(fā)展氫能首要目的是擺脫能源限制，燃料電池汽車僅僅是氫能應(yīng)用場景之一[14]。

日本已構(gòu)建起多重壁壘支撐的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。（1）日本已構(gòu)建起系統(tǒng)完善的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈，從液氫制備、儲運到燃料電池和加氫裝備，再到燃料電池整車的各細(xì)分領(lǐng)域形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)。（2）日本燃料電池汽車技術(shù)優(yōu)勢明顯，作為全球首個燃料電池汽車商業(yè)化的國家，其燃料電池汽車各項技術(shù)優(yōu)勢顯著。（3）日本燃料電池汽車市場份額優(yōu)勢明顯，自2014年12 月豐田MIRAI FCV 上市以來，日本產(chǎn)燃料電池汽車銷量全球占比穩(wěn)居20%以上[13]。

然而，日本實現(xiàn)燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)仍具有不確定性。2019 年3 月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省、國土交通省等部門發(fā)布第二次修訂的《氫能與燃料電池戰(zhàn)略路線圖》[15]。根據(jù)該路線圖的發(fā)展目標(biāo)，到2025 年日本計劃累計推廣燃料電池汽車20 萬輛，累計建成加氫站320座[16]（表2）。但是截至2021年底，日本累計推廣燃料電池汽車17 933 輛，約占全球36%，累計建成加氫站157 座，占全球總量23.8%。日本燃料電池汽車推廣目標(biāo)實現(xiàn)難度較大，主要原因如下：（1）當(dāng)前燃料電池汽車推廣效果不佳；（2）全球純電動與混合動力乘用車接受程度越來越高；（3）燃料電池汽車成本高昂；（4）加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后。

表2 日本燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)[16]

2.1.2 美國燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

石油危機是美國將氫能作為戰(zhàn)略方向的重要原因[17]。通過對美國氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策分析，可以看出美國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展也可分為3個階段。2005 年之前，產(chǎn)業(yè)政策重點是扶持氫能制取、運輸和儲存技術(shù)；2005—2015年，產(chǎn)業(yè)政策重點是氫燃料電池汽車及加氫站建設(shè)的財稅補貼，鼓勵燃料電池汽車示范和市場化應(yīng)用；2015 年后，確定燃料電池汽車長期發(fā)展戰(zhàn)略，繼續(xù)對燃料電池汽車進行抵稅補貼，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入快車道。對于美國，氫能是“發(fā)展低碳技術(shù)、為清潔能源奠基”的戰(zhàn)略支點，且在《全面能源戰(zhàn)略》中明確提出，氫能作為替代性能源在交通轉(zhuǎn)型中起到引領(lǐng)作用[18]。

美國燃料電池汽車發(fā)展路徑為物料搬運車（如叉車）到中重型載貨汽車再到多元零排放車輛（如乘用車）。2020 年3 月，美國燃料電池和氫能協(xié)會發(fā)布的《美國氫能經(jīng)濟路線圖》表明，發(fā)展氫能能夠鞏固美國能源領(lǐng)導(dǎo)地位并提振經(jīng)濟，保障能源安全[19]。按其激進目標(biāo)設(shè)定情景，到2030年，氫能將為美國帶來1 400億美元收入，創(chuàng)造70 萬個就業(yè)崗位；到2050 年，氫能將為美國帶來7 500億美元收入，創(chuàng)造340萬個就業(yè)崗位?；谌杀居嬎?，2025—2030年實現(xiàn)燃料電池汽車成本與內(nèi)燃機汽車持平，其目標(biāo)詳見表3。

表3 美國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)[19]

美國燃料電池汽車推廣不及預(yù)期，實現(xiàn)2025年激進目標(biāo)有較大挑戰(zhàn)。截至2021年底，美國燃料電池汽車保有量為12 390 輛，不及2025 年15 萬輛總目標(biāo)銷量10%；累計建成加氫站86 座，為2025 年1 000 座加氫站目標(biāo)8.6%。盡管激進目標(biāo)難以實現(xiàn)，但在《美國氫能經(jīng)濟路線圖》中也設(shè)定了基本目標(biāo)，其銷量目標(biāo)約為激進目標(biāo)15%～30%，表明美國對燃料電池汽車發(fā)展仍持相對謹(jǐn)慎態(tài)度。

2.1.3 韓國燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

韓國推進氫能與燃料電池汽車發(fā)展原因與日本類似，實現(xiàn)能源獨立的同時激發(fā)經(jīng)濟增長新動能[16]。韓國能源對外依存度高達93%，化石能源使用占比超過83%。為保障能源安全，促進經(jīng)濟增長，近年來韓國陸續(xù)發(fā)布?xì)淠芎腿剂想姵仄囅嚓P(guān)戰(zhàn)略，旨在成為全球引領(lǐng)氫能發(fā)展經(jīng)濟體。

韓國燃料電池汽車發(fā)展路徑為“先乘用車、后商用車，國內(nèi)與國外市場并舉”。2019年1月17日，韓國發(fā)布《氫能經(jīng)濟發(fā)展路線圖》，提出2030年進入氫能社會，成為世界氫能經(jīng)濟領(lǐng)導(dǎo)者；2040年，韓國燃料電池汽車和國際市場占有率第一；氫能產(chǎn)業(yè)為韓國創(chuàng)造2 500億元收入和42萬個就業(yè)崗位[20-21]?！稓淠芙?jīng)濟發(fā)展路線圖》涉及氫能發(fā)展5大領(lǐng)域[22]，包括氫能交通、氫能發(fā)電、氫氣生產(chǎn)、氫氣儲運和安全保障，氫能交通領(lǐng)域發(fā)展目標(biāo)見表4。

表4 韓國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)[22]

韓國全球首部氫能法律保障氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2022 年2 月，韓國頒布全球首部《促進氫能經(jīng)濟和氫安全管理法》，從5個方面助力韓國實現(xiàn)氫能社會及為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強有力的政策保障，包括：實施氫經(jīng)濟的保障體系、培育氫能專業(yè)公司、氫能供應(yīng)設(shè)施部署、氫能經(jīng)濟基礎(chǔ)和氫能安全管理。

盡管韓國燃料電池汽車保有量及全球累計投放量全球第一，但實現(xiàn)短期目標(biāo)仍有難度。截至2021年底，韓國燃料電池汽車保有量19 330 輛，占全球燃料汽車保有量39%，位居全球第一?，F(xiàn)代汽車推出的燃料電池SUV—Nexo 全球累計投放量為22 337 輛，占全球總量45%，位居全球第一，但距離2022年8.1萬輛的累計目標(biāo)產(chǎn)量仍有將近6 萬輛差距。截至2021 年底，韓國加氫站數(shù)量累計建成95 座，距離2022 年加氫站建設(shè)目標(biāo)差距較大。

2.1.4 歐洲燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

為了應(yīng)對能源與氣候變化、實現(xiàn)脫碳目標(biāo)是歐洲發(fā)展氫能和燃料電池汽車的驅(qū)動因素。歐洲將氫能與燃料電池技術(shù)視為能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略技術(shù)，一直致力于促進“交通與氫能”融合發(fā)展，支持氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。歐洲氫能與燃料電池汽車發(fā)展分為3個階段。1994—1998 年，歐洲實施“第四個研究開發(fā)框架計劃（1994—1998）”，初步開展氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究[23]。2008—2014 年，歐洲設(shè)立燃料電池與氫能源事業(yè)聯(lián)合組織（Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking，F(xiàn)CH JU），支持燃料電池和氫能技術(shù)研發(fā)與示范[24]。2014年后，歐洲啟動燃料電池技術(shù)與氫能合作計劃二期（The Second Generation of the European Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking，F(xiàn)CH 2JU），工作重點轉(zhuǎn)向推動燃料電池和氫能技術(shù)商業(yè)化，包括大規(guī)模示范、提供融資方案和提高社會接受度等[16]。

歐洲制定了宏偉的燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)，以乘用車為主，輕型商用車為輔。2019年2月，F(xiàn)CH 2JU發(fā)布《歐洲氫能路線圖：歐洲能源轉(zhuǎn)型的可持續(xù)發(fā)展路徑》[25]，制定2030 年燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)路線圖。2030 年前，歐洲氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的3 個優(yōu)勢領(lǐng)域為：（1）天然氣管道摻氫、氫能交通發(fā)展（主要是乘用車、商用車、大型客車、重型交通設(shè)備，（2）物料搬運車的氫能使用），（3）現(xiàn)有制氫技術(shù)脫碳化。其中，氫能交通領(lǐng)域具體目標(biāo)見表5。

表5 歐洲2030年氫能交通發(fā)展目標(biāo)[25]

歐洲燃料電池汽車發(fā)展成效不盡理想，俄烏沖突進一步阻礙燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。截至2022年底，歐洲燃料電池汽車保有量為2 135輛，僅占全球3.2%，與2030 年400 萬輛以上燃料電池汽車保有量目標(biāo)相距甚遠。加氫站累計建成228 座，占全球33.3%，燃料電池汽車保有量與加氫站數(shù)量發(fā)展嚴(yán)重不匹配。2022年，俄烏沖突爆發(fā)，受制于能源供給，將進一步?jīng)_擊歐洲燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。

2.1.5 我國燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢

我國已陸續(xù)頒布支持燃料電池汽車發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策。從2009年鼓勵發(fā)展新能源汽車開始，我國陸續(xù)頒布了燃料電池汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和規(guī)劃，對燃料電池關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵共性技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、燃料電池汽車等發(fā)展開展了國家頂層設(shè)計，指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型驅(qū)動我國將氫能作為能源體系重要組成部分，燃料電池商用車是應(yīng)用重點。2022 年3月，國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》，對我國氫能發(fā)展做出頂層設(shè)計和積極部署，首次明確提出氫能是未來國家能源體系的組成部分，有序推進氫能在交通領(lǐng)域的示范應(yīng)用，重點推進燃料電池重型車輛應(yīng)用，有序拓展燃料電池等新能源客車、貨車市場應(yīng)用空間，逐步建立燃料電池汽車與鋰電池純電動汽車互補發(fā)展模式[26]。

我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)取得突破性進展，與國外差距逐步縮小，處于跟跑階段。燃料電池系統(tǒng)方面，額定功率、啟動溫度、使用壽命等指標(biāo)均已達到國際領(lǐng)先水平。目前，僅有部分高性能質(zhì)子交換膜、炭纖維紙等關(guān)鍵材料依賴進口，其他材料國產(chǎn)化程度已達70%以上。車載儲氫系統(tǒng)方面，我國35 MPa的III型氫瓶研發(fā)制造和產(chǎn)品應(yīng)用趨于成熟，70 MPa 高壓IV 型氫瓶技術(shù)也被攻克，產(chǎn)業(yè)化進程加快[27]。

我國燃料電池汽車發(fā)展總體目標(biāo)設(shè)置比較理性，短期產(chǎn)業(yè)目標(biāo)有望達成。2016—2022年，中國汽車技術(shù)研究中心、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院和中國電器工業(yè)協(xié)會燃料電池分會、國家發(fā)展和改革委員會陸續(xù)發(fā)布燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)，具體見表6?？傮w看，2025年我國燃料電池汽車保有量約5萬輛，2030年保有量達到100萬輛?？紤]到商用車輛（尤其是重型載貨車、客車）電動化轉(zhuǎn)型急迫性，政府推出財稅補貼及示范政策，使我國燃料電池商用車呈爆發(fā)式增長態(tài)勢。截至2021年底，我國燃料電池汽車保有量為8 938輛，2022年前3 季度，燃料電池汽車銷量為2 589輛，同比增長162%；加氫站累計建成218座，居全球首位。

表6 中國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)

2.2 全球氫燃料發(fā)動機及汽車發(fā)展態(tài)勢

全球氫燃料發(fā)動機及汽車的發(fā)展可分為3 個階段。第1 階段，試驗嘗試期，時間為1970—2004 年；第2階段，應(yīng)用探索期，時間為2005—2020年；第3階段，應(yīng)用實踐期，時間為2021 至今。從全球看，在新能源汽車價值鏈中，日本、韓國、美國在燃料電池汽車方面全球領(lǐng)先，中國在純電動汽車方面全球領(lǐng)先，在傳統(tǒng)汽車方面處于領(lǐng)先地位的歐洲正在失去燃料電池和純電動汽車發(fā)展機遇和戰(zhàn)略優(yōu)勢，氫燃料發(fā)動機及汽車正在成為歐洲新能源汽車新的戰(zhàn)略高地。

2.2.1 試驗嘗試期

試驗嘗試期氫燃料發(fā)動機及汽車開發(fā)以日本和歐洲為主。1970年，日本武藏工業(yè)大學(xué)開始研發(fā)氫燃料發(fā)動機，起初目的是研究發(fā)動機排放的碳?xì)浠衔铮℉ydrocarbon，HC）是來自汽油還是潤滑油，自此氫燃料發(fā)動機成為研究熱點。1980年前后，梅賽德斯奔馳和寶馬等歐洲汽車制造商相繼進入氫燃料發(fā)動機開發(fā)領(lǐng)域，寶馬曾對7 系搭載的V12 汽油發(fā)動機進行調(diào)校用于氫燃料汽車的發(fā)動機。1991 年馬自達開發(fā)了搭載氫燃料發(fā)動機的第一款原型車HR-X。1997 年后的5 年間，福特致力于基于2.0 L汽油發(fā)動機的氫燃料發(fā)動機研發(fā)，該款發(fā)動機的壓縮比為14.5∶1，最高功率為47 kW@5 000 r/min，最大扭矩為105 N·m@4 000 r/min，但當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過5 000 r/min 后，將引發(fā)預(yù)燃等異常燃燒問題。

2.2.2 應(yīng)用探索期

應(yīng)用探索期氫燃料發(fā)動機及汽車開發(fā)以日本為主，歐洲為輔。氫燃料發(fā)動機各類控制技術(shù)不斷成熟，熱效率逐步提升，性能參數(shù)已接近傳統(tǒng)發(fā)動機，主流直噴氫燃料發(fā)動機參數(shù)及性能指標(biāo)如表7。

表7 主流直噴氫燃料發(fā)動機參數(shù)及性能[28]

2.2.3 應(yīng)用實踐期

應(yīng)用實踐期氫燃料發(fā)動機及汽車開發(fā)以歐洲為主。《巴黎協(xié)定》代表全球綠色低碳轉(zhuǎn)型大方向，要求各國每5 年更新一次“國家自主貢獻（NDC，National Determined Contribution）”減排計劃。歐盟將其減排目標(biāo)更新為“到2030 年將溫室氣體凈排量較1990 年水平減少55%（此前為40%）”[36]。為應(yīng)對此目標(biāo)，2021年7 月14 日，歐盟委員會公布了“Fit for 55”的一攬子氣候立法提案[37]。在交通領(lǐng)域，修訂民用轎車與輕型商用車CO2排放標(biāo)準(zhǔn)，要求2030年和2035年注冊的民用轎車排放量較2021 年水平分別下降55%和100%，輕型商用車分別下降50%和100%[36]。純電動動力總成是發(fā)展重心，純電動動力總成無法覆蓋的領(lǐng)域利用氫動力總成（包括燃料電池發(fā)動機和氫燃料發(fā)動機）進行補充，氫燃料發(fā)動機及汽車作為純電動汽車和燃料電池汽車的補充技術(shù)再次受到關(guān)注。

整車和零部件制造商正在加快氫燃料發(fā)動機的開發(fā)進程，并制定量產(chǎn)發(fā)展戰(zhàn)略。沃爾沃載貨車2040年后大致形成純電動汽車、燃料電池汽車、氫燃料發(fā)動機汽車占比分別為40%、40%和20%的市場格局。保時捷子公司Porsche Engineering 于2022 年4 月發(fā)布了高功率氫燃料發(fā)動機概念產(chǎn)品，通過配置電動渦輪增壓器和電動壓縮機，同時實現(xiàn)了高功率和零排放。博格華納正在開發(fā)用于氫燃料發(fā)動機的氫噴射系統(tǒng)概念產(chǎn)品，計劃到2023年底開始量產(chǎn)低容量中壓直噴氫噴射系統(tǒng)，2026年前后開始量產(chǎn)高容量中壓直噴氫噴射系統(tǒng)。FEV 正在加快新款氫燃料發(fā)動機的開發(fā)進程，并且已在無壓力振蕩氫燃料導(dǎo)軌系統(tǒng)方面取得一系列成果，最新款的氫燃料導(dǎo)軌系統(tǒng)既可實現(xiàn)進氣道噴射，也可實現(xiàn)缸內(nèi)直噴[38]?？得魉拐谕顿Y一系列與氫燃料發(fā)動機相關(guān)的產(chǎn)品與技術(shù)，并聯(lián)合物流企業(yè)驗證15 L氫燃料發(fā)動機相關(guān)性能[39]。

2.3 我國氫燃料發(fā)動機及汽車發(fā)展態(tài)勢

我國氫燃料發(fā)動機及汽車研究始于20 世紀(jì)80 年代，起步相對較晚，可分為2 個階段。第1 階段，理論試驗發(fā)展期，以高等院校試驗研究為主；第2 階段，工程應(yīng)用發(fā)展期，以企業(yè)自主開發(fā)應(yīng)用為主?？紤]到我國氫氣以藍氫、灰氫為主，以及燃料電池汽車成本高昂等因素，氫燃料發(fā)動機及汽車正成為我國商用汽車零碳排放、綠色發(fā)展的新途徑。

2.3.1 理論試驗發(fā)展期

我國高等院校對氫燃料發(fā)動機開展了深入的研究，積累了一定經(jīng)驗，為工程應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。浙江大學(xué)從燃燒理論和化學(xué)動力學(xué)角度分析了氫噴射火花點火氫燃料發(fā)動機中氫空氣混合氣的燃燒及NOx的形成[40]。天津大學(xué)通過噴水和廢氣再循環(huán)等措施來抑制氫燃料發(fā)動機異常燃燒，使之能正常工作[41]。上海交通大學(xué)研究了氫燃料發(fā)動機瞬態(tài)特性相關(guān)問題，渦輪當(dāng)量流通面積的變化對發(fā)動機的過渡特性影響不大，減小渦輪增壓器轉(zhuǎn)動慣量和充氣加速渦輪可改善渦輪增壓氫燃料發(fā)動機的加速性能[42]。華北水利水電學(xué)院在分析噴氫正時和噴氫量對氫燃料發(fā)動機工作性能影響的基礎(chǔ)上，設(shè)計了噴氫控制算法，使氫燃料發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性與排放等綜合性能達到優(yōu)化目標(biāo)[43]。北京交通大學(xué)進行了進氣管噴射的氫燃料發(fā)動機NOx排放性能研究，指出影響氫燃料發(fā)動機NOx排放的因素，通過試驗證明點火延遲對NOx排放具有一定作用，復(fù)合燃燒也可增加輸出功率并降低NOx排放[44]。北京工業(yè)大學(xué)在一臺加裝了電控氫氣噴射系統(tǒng)的四缸發(fā)動機上，就怠速、稀燃條件下純氫發(fā)動機的燃燒與循環(huán)變動特性進行了試驗研究。怠速工況下，適當(dāng)提高過量空氣系數(shù)有利于減小氫燃料發(fā)動機燃料能量流量。隨著過量空氣系數(shù)增加，氫燃料發(fā)動機怠速時的傳熱損失將有所減少。增加過量空氣系數(shù)后，純氫發(fā)動機火焰發(fā)展期和傳播期均明顯延長[45]。

2.3.2 工程應(yīng)用發(fā)展期

以商用車為應(yīng)用場景的氫燃料發(fā)動機及汽車加速涌現(xiàn)，2022年為氫燃料發(fā)動機及汽車應(yīng)用元年。2022年6月8日，一汽解放自主設(shè)計研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫燃料發(fā)動機成功點火并穩(wěn)定運行，該款氫燃料發(fā)動機為13 L重型發(fā)動機，運轉(zhuǎn)功率超373 kW，指示熱效率突破55%，具有技術(shù)首創(chuàng)、行業(yè)首發(fā)、國際領(lǐng)先3大特點[46]。

2022年6月15日，中國重汽、濰柴動力聯(lián)合發(fā)布全國首臺商業(yè)化氫燃料發(fā)動機重型載貨車，搭載濰柴動力自主研發(fā)的13 L氫燃料發(fā)動機，達到國際領(lǐng)先水平[47]。該款氫燃料發(fā)動機采用精準(zhǔn)氫噴射控制技術(shù)，應(yīng)用高效增壓、稀薄燃燒技術(shù)，解決氫氣異常燃燒難題[48]。可商業(yè)化應(yīng)用到港口、城市、電廠、工業(yè)園區(qū)等特殊工作場景[47]。

2022年6月30日，玉柴YCK16H氫燃料發(fā)動機在廣西玉林成功點火，該款發(fā)動機排量為15.93 L，最大功率約為472 kW，是目前中國排量最大、功率最大的氫燃料發(fā)動機。該款發(fā)動機采用先進的燃料高壓共軌、高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)和雙流道增壓技術(shù)，可按需實現(xiàn)缸內(nèi)均質(zhì)燃燒或者分層燃燒，動力性更強、熱效率更高、穩(wěn)定性更好，可適配灰氫、綠氫、甲醇在線制氫等多種途徑制備的燃料，依據(jù)需求和燃料制、儲、運的基礎(chǔ)條件，自由組合燃料供給，是一種高適應(yīng)性、靈活可控的零碳或低碳動力解決方案[49]。

3 氫動力汽車對比分析

3.1 國內(nèi)外氫動力汽車發(fā)展對比

3.1.1 國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展對比

通過對國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢分析，從氫能發(fā)展驅(qū)動因素、氫能與燃料電池汽車發(fā)展策略、燃料電池汽車在氫能體系中的定位、燃料電池汽車重點布局、氫能與燃料電池汽車立法情況、燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)評價、燃料電池汽車目標(biāo)實現(xiàn)可行性、燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車成本持平時間預(yù)估8個維度對比分析國內(nèi)外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)，具體見表8。

表8 國內(nèi)外燃料電池汽車發(fā)展對比

（1）氫能發(fā)展驅(qū)動因素方面，地域與能源特點是各國和地區(qū)氫能發(fā)展需要考慮的主要方面。日本與韓國為尋求能源獨立，美國為應(yīng)對能源危機，歐洲為應(yīng)對氣候變化，我國為尋求能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。

（2）發(fā)展策略方面，國內(nèi)外氫能與燃料電池汽車發(fā)展策略取決于發(fā)展驅(qū)動因素。國外走出一條由氫能逐步過渡到燃料電池汽車示范及基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展路徑，屬于能源體系變革驅(qū)動車輛產(chǎn)品轉(zhuǎn)變的自上而下發(fā)展模式。我國走出一條由燃料電池技術(shù)到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和燃料電池汽車示范的發(fā)展路徑，屬于車輛產(chǎn)品變革引發(fā)的能源體系轉(zhuǎn)變的自下而上的發(fā)展模式。

（3）燃料電池汽車定位方面，取決于氫能在國家能源體系中的位置。日本與韓國燃料電池汽車僅是氫能應(yīng)用場景之一，我國燃料電池汽車是氫能應(yīng)用場景之一，美國燃料電池汽車是氫能主要應(yīng)用載體，歐洲燃料電池汽車是氫能最重要應(yīng)用載體。

（4）燃料電池汽車重點布局方面，與各國交通體系及當(dāng)前新能源汽車產(chǎn)業(yè)進程高度相關(guān)。日本、韓國和歐洲等國家國土面積小，交通體系發(fā)達，燃料電池汽車重點布局乘用車，美國與我國幅員遼闊，同時考慮到我國純電動汽車發(fā)展水平，燃料電池汽車重點布局物料搬運車和重型商用車。

（5）立法方面，氫能與燃料電池汽車立法表明國家發(fā)展決心。韓國成為全球首個氫能與燃料電池汽車立法的國家。

（6）發(fā)展目標(biāo)評價與實現(xiàn)可行性方面，從當(dāng)前各國燃料電池汽車發(fā)展態(tài)勢對燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)進行評價。日本、美國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)較為激進，實現(xiàn)難度較大；韓國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)激進，實現(xiàn)難度很大；歐洲燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)激進，在俄烏沖突影響下或?qū)o法實現(xiàn)；我國燃料電池汽車發(fā)展目標(biāo)謹(jǐn)慎合理，短期目標(biāo)有望達到。

（7）成本持平時間預(yù)估方面，燃料電池汽車成本是大規(guī)模推廣應(yīng)用的核心要素。日本、美國和韓國預(yù)估燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車成本持平時間分別在2030年、2025—2030年期間和2025年。

3.1.2 國內(nèi)外氫燃料發(fā)動機汽車發(fā)展對比

通過對國內(nèi)外氫燃料發(fā)動機汽車發(fā)展態(tài)勢分析，從氫燃料發(fā)動機汽車研究起始時間、研究國家遷移、發(fā)展階段、國家立法、車輛定位、產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成、重點布局7 個維度對比國內(nèi)外氫燃料發(fā)動機汽車產(chǎn)業(yè)，具體見表9。

（1）研究起始時間方面，我國氫燃料發(fā)動機汽車起步相對較晚。

（2）研究國家遷移方面，國外氫燃料發(fā)動機汽車研究起源于日本和歐洲，技術(shù)進步于日本，技術(shù)成熟落地于歐洲。

（3）發(fā)展階段方面，國外氫燃料發(fā)動機汽車發(fā)展經(jīng)歷試驗嘗試期、應(yīng)用探索期和應(yīng)用實踐期3個階段，我國氫燃料發(fā)動機汽車經(jīng)歷理論應(yīng)用發(fā)展期和工程應(yīng)用發(fā)展期。

（4）國家立法方面，歐盟通過立法提案確立氫燃料發(fā)動機汽車的產(chǎn)品地位，我國目前缺少對氫燃料發(fā)動機汽車的頂層設(shè)計。

（5）氫燃料發(fā)動機汽車定位方面，對于歐洲，氫燃料發(fā)動機汽車是純電動與燃料電池汽車的有效補充，我國對于氫燃料發(fā)動機汽車的發(fā)展定位仍不明朗。

（6）產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成方面，歐洲從氫燃料發(fā)動機汽車關(guān)鍵部件到系統(tǒng)總成逐步構(gòu)建系統(tǒng)完善的產(chǎn)業(yè)鏈體系，我國目前氫燃料發(fā)動機汽車產(chǎn)業(yè)鏈聚焦在系統(tǒng)總成。

（7）氫燃料發(fā)動機汽車重點布局方面，歐洲氫燃料發(fā)動機汽車同時布局乘用車和商用車，我國氫燃料發(fā)動機汽車重點布局重型商用車。

3.1.3 燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車對比

燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車屬于氫動力汽車2種完全不同的技術(shù)路線，目前看來，燃料電池汽車發(fā)展節(jié)奏明顯快于氫燃料發(fā)動機汽車，但是燃料電池汽車發(fā)展總體不及預(yù)期，氫燃料發(fā)動機汽車或?qū)⒊蔀槿剂想姵仄嚨难a充[9]。本小節(jié)系統(tǒng)對比了燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車，以闡明氫燃料發(fā)動機汽車技術(shù)路線可行性，具體見表10。

表10 燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車對比

（1）產(chǎn)業(yè)支持政策方面，國家和地方已頒布相對完備的產(chǎn)業(yè)政策支持燃料電池汽車規(guī)?；瘧?yīng)用，氫燃料發(fā)動機汽車扶持政策基本處于空白。

（2）規(guī)模應(yīng)用瓶頸方面，燃料電池系統(tǒng)需要鉑作為反應(yīng)催化劑及其他工藝不盡成熟的部件，規(guī)模應(yīng)用瓶頸在于物料及氫氣使用成本高。盡管國外預(yù)判2025—2030年燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車成本接近，但從目前推廣情況看成本預(yù)測過于樂觀。氫燃料發(fā)動機汽車因燃燒控制、排放控制、供氫系統(tǒng)等技術(shù)不成熟，成為規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。

（3）燃料與純度要求方面，燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車盡管都采用氫氣作為能源，但對氫氣純度要求差異巨大。根據(jù)GB/T 37244—2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》，燃料電池汽車用氫氣純度需達摩爾分?jǐn)?shù)99.97%以上，氫燃料發(fā)動機汽車可用工業(yè)副產(chǎn)氫直接燃燒。

（4）工作原理方面，燃料電池汽車是利用氫氣與氧氣在膜電極處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，再利用驅(qū)動電機驅(qū)動車輛運動。氫燃料發(fā)動機汽車是利用氫氣與氧氣在發(fā)動機氣缸內(nèi)燃燒，將氫氣化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能再轉(zhuǎn)化為機械能驅(qū)動車輛運動。

（5）工作效率方面，燃料電池汽車工作效率在40%～50%，氫燃料發(fā)動機汽車工作效率在35%～45%，總體低于燃料電池汽車。

（6）環(huán)境適應(yīng)性方面，燃料電池汽車受低溫影響較大，氫燃料發(fā)動機汽車與傳統(tǒng)天然氣汽車接近，受低溫影響較小。

（7）產(chǎn)業(yè)鏈連續(xù)性方面，燃料電池汽車需要搭建全新的動力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈體系，氫燃料發(fā)動機汽車可沿用大部分內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)鏈。

（8）污染物排放與碳排放方面，燃料電池汽車屬于完全零排放汽車，既無污染物排放，又無CO2排放。氫燃料發(fā)動機汽車因燃燒高溫，將產(chǎn)生一定NOx污染物排放，CO2排放接近零。

（9）系統(tǒng)功率規(guī)模方面，受限于燃料電池系統(tǒng)功率，燃料電池汽車功率規(guī)模多在200 kW 以內(nèi)，需要動力電池輔助來驅(qū)動車輛運動，導(dǎo)致車輛復(fù)雜性提升。氫燃料發(fā)動機功率可達400 kW，可依靠單一動力源驅(qū)動車輛運動。

（10）耐久性方面，燃料電池汽車耐久性低于氫燃料發(fā)動機汽車。

（11）續(xù)駛里程，安全性與基礎(chǔ)設(shè)施方面，燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車基本相同。

4 總結(jié)及展望

在全球能源體系綠色轉(zhuǎn)型、低碳發(fā)展大背景下，氫能作為“無限循環(huán)”零碳能源，已成為各國尋求能源獨立和能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇。道路交通作為氫能重要應(yīng)用場景之一，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)重要組成部分。從國際看，燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車兩條腿走路發(fā)展態(tài)勢愈發(fā)明朗，氫燃料發(fā)動機汽車將作為燃料電池汽車的有效補充，協(xié)同推進道路交通體系零碳化。從我國看，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)已建立起比較優(yōu)勢，但其發(fā)展仍受氫能體系、系統(tǒng)成本制約，屬于完全政策驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)。我國氫燃料發(fā)動機汽車起步較晚，但因其產(chǎn)業(yè)鏈接續(xù)性、系統(tǒng)成本等優(yōu)勢，逐步受到國內(nèi)商用車企業(yè)的重視。為加快商用車輛新能源化，建議從以下4方面推進氫動力汽車規(guī)?；l(fā)展。

（1）明確政策導(dǎo)向

產(chǎn)業(yè)政策是驅(qū)動我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)前期發(fā)展的核心要素，氫能與燃料電池汽車已頒布明確產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及目標(biāo)。氫燃料發(fā)動機汽車在我國當(dāng)前氫能結(jié)構(gòu)體系（藍氫、灰氫等工業(yè)副產(chǎn)氫為主體）下是重要應(yīng)用路線之一，建議加快研究制定氫燃料發(fā)動機汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展目標(biāo)，明確其市場地位，逐步形成燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車兩條腿走路的發(fā)展格局。

（2）核心技術(shù)攻關(guān)

目前來看，氫燃料發(fā)動機汽車技術(shù)總體不成熟，技術(shù)瓶頸是氫燃料發(fā)動機汽車規(guī)?；瘧?yīng)用的主要障礙。建議從國家層面研究制定氫燃料發(fā)動機汽車發(fā)展技術(shù)路線圖，推進氫燃料發(fā)動機汽車科技攻關(guān)專項，依托國內(nèi)優(yōu)質(zhì)資源開展聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新，突破燃燒控制、污染物排放、供氫系統(tǒng)、噴氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)技術(shù)難點。

（3）路線協(xié)同發(fā)展

燃料電池汽車和氫燃料發(fā)動機汽車是氫能在交通應(yīng)用中的“一體兩翼”，二者在氫氣制取、存儲、運輸、加注等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)基本一致，在關(guān)鍵系統(tǒng)及部件方面存在交叉。建議將燃料電池汽車和氫燃料發(fā)動機汽車路線協(xié)同發(fā)展，著力推進商用車的新能源化，促進商用車綠色轉(zhuǎn)型、低碳發(fā)展。

（4）加強技術(shù)經(jīng)濟分析

技術(shù)經(jīng)濟性是汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模化應(yīng)用的前提，燃料電池汽車與氫燃料發(fā)動機汽車成本問題是制約其進一步發(fā)展的主要因素之一。建議密切跟蹤并分析氫能產(chǎn)業(yè)鏈、燃料電池汽及氫燃料發(fā)動機汽車主要零部件及系統(tǒng)的成本趨勢，積極吸引行業(yè)投資，持續(xù)推進氫動力總成及汽車規(guī)?；?、高質(zhì)量發(fā)展。