氢燃料内燃机 vs 氢燃料电池，谁更胜一筹？
lijianrong | 2020-12-04 10:44
关于氢燃料，大多数小伙伴们的第一反应应该就是氢燃料电池车。但不知道大家有没有想过，直接把氢拿来烧？对的，想汽油柴油那样烧，这就是氢燃料内燃机（HICE）。
这种发动机跟普通燃油发动机一样，有吸气，压缩，做功以及排气四个冲程。虽然不是主流，但确实是量产过的，最让人熟知的就是当年宝马的Hydrogen 7项目。
啊，这不是E65的那代7系吗？已经15年前了。现在宝马还弄这玩意儿吗？宝马现在确实还在用氢燃料技术，但却是FCEV，而不是HICEV。那宝马为什么要放弃这种技术呢？这是我们探讨的话题。
首先，我们跟燃油内燃机做一个直接对比。
第一，氢氧的燃烧只会产生水，但实际中，空气上还有氮气，在燃烧室内的高温下还是会产生氮氧化合物，但由于没有碳元素，因此没有碳排放。而燃油中一定是有碳元素与氢元素，因此氮氧化合物跟碳排放是不可避免的。
第二，鉴于氢气的特性，氢燃料内燃机可以使用很高的空燃质量比，最高可以达到180：1。而目前最高马自达Skyactiv-X也只不过是37:1。这样极度稀薄的燃烧可以减少燃料的使用，减少氮氧化合物的排放，但同时也带来动力不足。
马自达Skyactiv-X
第三，氢气极度容易点燃，仅需要0.02MJ，而汽油则需要0.24MJ。虽然这有利于发动机稀薄燃烧，但由于氢气只需要一点能量就能点燃，这样会容易造成发动机的缺缸。而且发动机的点火也不太容易把握，在配气结构的设计上带来困难。
第四，氢气在点燃的时候迸发出的火焰要比汽油的快不少，不过这要是在空燃比比较低的时候才行。如果在180：1的空燃比下，火焰速度会比在50：1下慢不少。
第五，氢气有较高的自燃温度，大概有500摄氏度，相当于120的研究辛烷值（RON），而即使是99RON的汽油，也只是为280摄氏度。这就意味着能够有更高的压缩比，有利于更好的配气，有利于减少爆震。这里所带来的优点可以抵消掉一部分第三点所带来的劣势。
第六，氢气有极高的扩散性。说白了就是这些气体“跑得快”，这就意味着氢气在进入燃烧室后，能够以更快的速度把整个空间填充掉，从而实现均质燃烧，这也为发动机带来高效率，而汽油在均质燃烧上则需要花费很大的工夫。当然啦，这个“跑得快”也有一个好处，就是发生漏气时，氢气可以快速逃脱，从而减少发生爆炸的可能。
丰田用子弹射击氢气罐来检测安全性
第七，氢气燃烧的火团拥有很小的淬熄距离。什么是淬熄距离呢？简单来说火焰前沿与壁面间的距离，这个距离产生的原因是因传热、膨胀功将足够的能量或活化能分子从燃烧区域移开，这个距离的大小取决于燃料的选择，发动机做功情况，结构等多种因素。
正是由于氢气的淬熄距离短，火焰甚至可以通过未完全关闭的进气门回窜到进气歧管中，造成不理想的回火。不过短的淬熄距离还可以让整个燃烧室的燃料燃烧得更充分。
第八，由于氢气的密度低，导致了在燃烧室中具有较低的空燃体积比。而汽油由于是液体，所占的体积较小，因此有很高的空燃体积比。在既定空间下，空气越少，肯定是不利于燃料的燃烧的。特别是对于自然吸气发动机。
同时由于密度小，装载氢气的燃料罐必须要很大，这里不但占据了很多空间，还会影响车辆的外观。
列了八点，看下来氢燃料内燃机对比起燃油发动机也没有多大优势。
那对比起现在如火如荼的氢燃料电池呢？
首先说排放，前面讲到，HICE会产生氮氧化合物，而氢燃料电池由于只是，离子质子分离然后再与氧气结合的过程，因此副产品就只有水。
第二个就是效率的问题。HICE与普通内燃机热效率差不多，30%-40%，但氢燃料电池可以达到60%-70%，也就是说差不多两倍的效率。这就带来了一个很现实的问题，就是氢气罐体积。既然HCIE只有FCEV的一半效率，那要达到相同的续航里程，HCIE的氢气罐必须要大一半。
但HCIE有一个看上去很好的地方，就是可以基于现有的发动机进行改进。比如前面说到的宝马Hydrogen 7就是基于原有760Li上的V12发动机改的，它既可以使用汽油，也可以使用氢气。但在氢燃料下的功率仅为汽油情况下的一半，里程也变成了三分之一，而且价格要高出不少。
鉴于氢燃料内燃机比下有余，比上不足的尴尬情况，而且当时全世界就5个加氢站，于是宝马象征性地生产了100台Hydrogen 7就完事了。
时至今日，全新的氢燃料电池车无论在性能上，还是价格上，都要远胜于当年的Hydrogen 7。最重要的是，加氢站比当年多了好几百倍！就这样，氢燃料内燃机慢慢淡出了人们的视线，氢燃料电池成为了主流。