刘福水教授：氢内燃机汽车发展亟需推力
王瑞嵚
编者按：氢能源被世界公认为终结能源。以水为原料制取氢气，氢燃烧放出能量后，排放物为水，不会对环境造成污染，是真正的清洁能源。北京理工大学机械与车辆学院刘福水教授参与国防基础研究项目：“氢燃料内燃机系统技术研究开发”，和863项目：“高效低排放氢燃料内燃机技术”，已通过主管部门的验收，获得一致好评；攻克多项关键技术，构建了氢内燃机理论与技术体系，使氢内燃机核心技术拥有完整的自主知识产权，项目研制的氢内燃机达到国际先进水平。并开发研制出国内第一台高效、低排放氢燃料内燃机样机及样车，样车已运行万余公里、经历了一个完整年度的考核，性能稳定。为此，本刊记者特意来到北京理工大学就氢能汽车发展的相关问题采访了刘福水教授。
1 现有汽车动力特点与竞争力
刘福水教授向记者介绍了汽油和柴油汽车、电动汽车、氢燃料电池车、混合动力汽车等现有动力特点及其竞争力。
刘教授认为未来汽车动力应在满足社会需求的同时具有自身的生命力。所谓社会需求就是指对环境友好、不产生二次污染，同时燃料要具有可再生性；而自身生命力就是指其具有经济性如性价比高等，实用性指性能良好、安全便利等，可靠性就是指使用过程让人信赖、故障率低。
1.1 汽油或柴油汽车
汽油或柴油来自三大化石燃料中的化石燃料的大量使用，汽油或柴油汽车在运行过程中产生温室气体二氧化碳、未燃碳氢、一氧化碳、二氧化氮等气体污染物。
刘教授认为：燃料中的“碳”是环境污染的重要根源，而且，化石燃料还不可再生，属于耗竭性能源，化石燃料的供应量不足会造成能源危机。特别是从石油提炼出来的汽油影响最大，20世纪下半叶就因为石油供应不足而出现三次石油危机。
1.2 电动汽车
有专家认为：世界各国都在进行纯电动汽车研发，但没有一个国家实现了真正的产业化。纯电动车目前存在着诸多难以逾越的障碍，短时间内难以实现产业化和市场化。
“八五”期间，国家科技部就将电动汽车项目列入国家攻关计划；“九五”期间，又将其列入国家重大科技产业工程项目。1998年6月正式在汕头南澳岛开通的“国家电动汽车试验示范区”，是这一项目中的重点项目。广东省电动汽车项目协调小组的总结报告认为：电动汽车的核心技术——“电池技术还没有取得根本性突破”，即使是目前的技术，也存在“国产电池比国外电池损坏率高”的问题，电池爆炸这样的大事故在两年多时间内就发生过10次，加之其他电池方面的故障，“造成司机都不敢开车出去，因为出去就回不来了”。据广东省电动汽车项目协调小组办公室副主任温宗孔介绍，在电动汽车保有量较高的德国，政府投入了6000万马克（约合3亿人民币），一些汽车企业也投入了大量资金，搞了一个电动汽车试验示范区，其研究结论是：不仅经济效益差，环保效果也不行。
据了解，目前，已经有七款电动车型纳入北京市新能源汽车产品目录，分别是北汽E150EV、比亚迪E6、上汽荣威E50、江淮和悦iEV、北京牌C70GB、比亚迪腾势和华晨宝马之诺，补贴前售价在十几万至四十万元不等。在一家比亚迪4S店里，工作人员介绍：E6电动车经过7～10个小时的充电，可续航300公里，补贴后售价在20万元左右，但鲜有人问津。在平谷街头，一位开第一代北汽E150EV电动出租车司机说：这车他已经开了一年，电池充满后显示可以跑140公里，但实际跑起来也就100公里左右，虽然充电省了钱，但每天跑100公里后就要充六七个小时的电，这样一来，一天的营业也就结束了，拉的活当然少了。
今年2月，北京市发放电动汽车指标1666个，仅有1428人申请购买，剩余238个。可见，电动汽车发展是政府优惠力度大，而老百姓却不认账，不买单。
为什么会是这样呢？
刘福水教授告诉记者：电动汽车有四个优点即结构简单、高效率、低噪音、工作温度低。然而，也存在着影响其发展的瓶颈。即：全寿命成本（初次+使用）、能量密度（自重+续航里程）、充放电时间和电池回收问题。
1.2.1 全寿命成本（初次+使用）
所谓全寿命成本，就是要考虑初次使用和换电池的成本。记者有辆电动自行车。买的时候价格是2200元，两年后铅酸电池就报废了，不得不再花1300元，换个锂电池装上，接着用。整个算起来，电动车的电池费用要占整车的三分之二多。
1.2.2 能量密度（自重+续航里程）
刘福水教授认为：电动汽车的电池能量密度，不可能赶上化石燃料如汽油和柴油。燃料化学能转变成机械能的过程中必须有氧参与。传统发动机是把空气里的氧吸进来，再把燃烧废气排到大气中去。而电池是把氧化剂和还原剂都放到电池里，也就是说，除了携带“燃料”还要携带氧化剂，并随身携带反应后的“废物”。化石燃料是百分之百变成热能，而电池中的“燃料”只有部分参与化学反应。1公斤汽油燃烧需要14.3公斤空气，如果把汽油做成燃料电池，50斤的油箱，就要带500多公斤空气。可以说，电动汽车不仅要拉货物拉人，还要拉自身很重的电池。
1.2.3 充放电时间
前面说了电动汽车，3～6个小时的充电，只能续航一百多公里。而汽油或柴油汽车加油不超过3分钟，可以运行400～500公里。
1.2.4 电池回收问题
据了解，国内动力电池的研究主要集中在提高性能方面，对回收利用环节的关注明显不足。现阶段，在电动汽车上应用较广的是锂离子电池，这种电池不含汞、镉、铅等对环境有害的重金属元素，但其正负极材料、电解质溶液等物质却对环境有很大影响。中国汽车技术研究中心预测，到2015年国内动力电池累计报废量约在2万～4万吨，到2020年，我国电动汽车动力电池累计报废量将达到12万～17万吨的规模。如果没有规范的电池回收体系，这些电池无疑将对环境产生巨大危害。对此，很多相关专家忧心忡忡：中国内燃机工业协会副秘书长魏安力在“2012中国汽车产业发展(泰达)国际论坛”上说：中国有300万辆电动汽车，意味着一个乘用车有两组电池，那么就有400万组电池，如果用上四五年以后，这个电池不可降解、回收污染处理的话，那么会给社会造成另外一个污染结构。北京理工大学教授吴锋：“1个20克的手机电池可污染3个标准游泳池容积的水，若废弃在土地上，可使1平方公里土地污染50年左右。试想，如果是200公斤的电动汽车动力电池废弃在自然环境中呢?大量重金属及化学物质进入大自然，将会对环境造成更大的污染。”
1.3 燃料电池汽车
燃料电池汽车主要指氢燃料电池汽车，有三大特点如零排放、高效率和低噪音等；但是，也存在四大缺憾：如不耐低温、高成本、对氢气纯度要求高，容易中毒等。
刘福水教授对记者说：氢燃料电池汽车对环境要求高，某大学一辆氢燃料电池汽车正在公路上试运行时，恰逢前面一辆客车正排出一股废气，当时这辆氢燃料电池汽车就抛锚了。氢燃料电池汽车对氢气纯度要求高，在低温环境里，行驶也受温度影响。最关键的一点是，氢燃料电池需要铂金，这样也导致氢燃料电池汽车的造价高。有专家估计，地球上现有的铂金含量有限，只能造4000万辆氢燃料电池汽车。
1.4 混合动力汽车
混合动力汽车最大的优势就是节能和安全。截至2013年底，全球累计销售混合动力汽车超过856万辆，还没有发生一起因电池及混合动力系统质量原因导致的召回事件。纯电动汽车全球累计销量也不过25万辆左右，但是发热、起火、爆炸事故频发。
刘福水教授说：混合动力汽车可使内燃机效率提高到30%～50%，可省30%的汽油，是提升汽油和柴油汽车性能的有效途径。
1.5 小结
综合以上分析可见，汽油或柴油汽车、电动汽车氢燃料电池汽车以及混合动力汽车等有各自优点，但同时也存在不同缺憾，不能同时满足社会特征和竞争力特征。
2 氢内燃机汽车
“氢气，‘无碳、可再生燃料’是理想的未来燃料。”——刘福水教授
2.1 氢内燃机汽车是安全的
工业界已经有100多年安全使用氢气的历史和经验。
刘福水教授告诉记者：国内外大量的使用实践表明，氢气和其它燃料一样安全。
2.2 氢气来源广泛，价格低廉
焦炉气产氢，焦炉气含氢气55%，是很珍贵的资源；钢厂废气产氢；瓦斯产氢，为降低瓦斯突出事故，我国煤炭行业推广“先抽后采”，抽出的瓦斯主要成份甲烷，其含氢量就达75%；煤层气产氢，我国是世界第三大煤层气储量大国，储量达36.81万亿立方米，相当于350亿吨标油能量，与陆上常规天然气资源相当，全国还有370亿吨废弃煤矿的煤，利用地下气化技术可转为氢气；电解水制氢，水电解制氢技术在水电站、风力发电和核电站可发挥调节互补作用，具有广阔的应用前景：如风能—氢能发电站，在利用风能发电时，可用剩余电力生产氢气，在风能处于低谷时再利用氢进行发电；另外，太阳能、风能可通过电解水转换成氢气进行能量的转化和储存、运输；太阳能光电解水制氢，中科院大连化物所李灿院士利用双共催化剂发展了Pt-PdS/CdS三元光催化剂，在可见光照射下，利用Na2S作为牺牲试剂，使产氢量子效率达到93%，成为迄今为止世界范围内光催化最高产氢量子效率。
2.3 储氢材料
稀土储氢，我国是世界稀土储量最大的国家。稀土储氢材料L a Ni 5表现极好的储氢能力，L aNi 5H6所储氢的密度为氢气密度1000倍；日本产业技术综合研究小组科学家最近研制的重量轻、密封性好、强度高、抗高低温性能优异的储氢罐，为大规模开发应用氢能铺平道路，氢气罐密封性提高一百多倍，年泄漏率仅为0.01% ，而普通汽油一个月泄漏达0.1%。我国712所研制成功国内首台40kg级合金储氢罐。美国要求车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%，即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢，工作压力为70兆帕（Mpa）的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择。
2.4氢内燃机
氢内燃机是基于氢燃料特性而全新开发的新型内燃机，既保留了传统内燃机的基本结构与主要系统，又发挥了氢燃料清洁燃烧、可再生的特点，在氢燃料内燃机工作过程中，各种含碳污染物排放几乎可以忽略不计，是解决能源和环境问题的重要途径之一。在使用性能、成本等方面又能被用户接受，是国际上公认的通向氢能源经济的主要动力，如宝马推出Hydrogen 7车型便是采用氢内燃机。
2.4.1 为什么采用氢内燃机呢？
“氢内燃机具有综合的比较优势”——刘福水教授。
2.4.2 氢内燃机原理
接着刘福水教授向记者详细阐述了氢内燃机原理：基本特征是以氢气为燃料，通过缸内燃烧转化能量，按氢气性质设计优化发动机，着火范围广：4～75(vol%)；低点火能量：20uJ；更小的淬冷距离：0.64mm；很高的自燃温度：585℃；高的火焰传播速度：2.7m/s。既保留了传统内燃机的基本结构与主要系统，又发挥了氢燃料清洁燃烧、可再生的优点。
刘福水教授研制的氢内燃机热效率达到41.6%，升功率>30kW/L，超过福特E-450氢内燃机动力水平；排放指标低于欧6限值；开发研制出国内第一台高效、低排放氢燃料内燃机样机及样车，样车已运行万余公里、经历了一个完整年度的考核，性能稳定。攻克多项关键技术，构建了氢内燃机理论与技术体系，使氢内燃机核心技术拥有完整的自主知识产权；项目研制的氢内燃机达到国际先进水平。
2.4.3 氢燃料汽车整车路试数据
刘福水教授向记者展示了他所研制氢燃料汽车整车路试数据：
2.4.3.1道路实际测量
气瓶是采用碳纤维缠绕瓶，储氢压力35MPa，氢气携带量：3.2kg。
2.4.3.2百公里耗氢量
等速55km/h:1.25kg/100km；等速130km/h:2.25kg/100km；续驶里程150～260km；累积运行1万公里。
2.4.3.3 关键技术突破
氢燃料发动机总体设计、避免回火和表面点火、混合气浓度的精确控制、自适应式燃料供给系统、EGR系统的精确控制与平稳切换、电子综合管理系统、燃料安全保障系统 、氢内燃机燃烧匹配理论与技术。
2.4.4 氢内燃机的发展比较
“氢内燃机在动力性方面丝毫不逊于传统的汽油机与柴油机，又可规避传统内燃机依赖化石燃料与污染排放的危机！”刘福水教授说。
2.4.5 氢内燃机汽车运行成本
2.5 我国氢内燃机汽车发展现状
2007年6月18日，我国自主研制的第一台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功地实现点火。高效低排放氢内燃机是国家“863”计划唯一立项的氢燃料重点项目，它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术已经获得了突破性的进展。
国内一些重点理工类大学如浙江大学、北京理工大学、吉林工业大学、交通大学、天津大学等都已加入新型氢内燃机研制行列，北京理工大学在成功开发三轮氢内燃机的基础上，参与长安汽车集团开发的第一台氢内燃机的研制。国内积极参与氢内燃机新能源汽车研制的汽车企业除了长安集团外，还有奇瑞汽车集团和华晨汽车集团。
2.6 国外氢内燃机发展动态
2.4.1 宝马
宝马已成为全球首家实现液氢作为直接燃料，并实现量产氢燃料汽车的首家公司。在1999年，宝马便曾携旗下的750hL氢燃料车队在柏林完成了初次亮相，其中的“h”代表氢燃料，同年世界上第一家液氢加气站在慕尼黑投入使用，随后该车还作为2000年世博会的高级轿车负责接待贵宾。
2006年宝马在洛杉矶车展上首发了以氢为动力的高性能豪华轿车—BMW Hydrogen 7，该车也是全球第一款以氢气为动力的轿车。Hydrogen 7是基于宝马7系打造，拥有两个燃料箱可分别可存储7.99kg的液态氢和74升的汽油，并搭载一台V12发动机。可燃烧氢燃料和汽油，若仅使用液态氢，便可以行驶201km；单使用汽油，可以持续航行483km。
2.4.2 马自达
马自达早在2006年时，便研发出RX-8 Hydrogen RE双燃料系统转子发动机，与一般转子发动机不同的是，该引擎可供给汽油和氢气燃料，还可通过车内按钮自由选取工作模式。此外，RX-8 Hydrogen RE还是全球首款搭载氢燃料转子发动机的车型。2012年马自达计划推出氢燃料转子内燃式发动机，马自达选择了直接燃烧氢气为发动机提供动能，而不是采用氢燃料电池。马自达总裁山田宪昭（Takashi Yamanouchi）在一封邮件声明中说：“我们将不再生产RX-8，但是转子发动机将作为马自达精髓重要的一部分继续维系下去。”
2.4.3 福特
2006年7月17日，福特氢燃料V-10发动机于正式投产，福特汽车公司成为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商。福特汽车的氢内燃机绝不仅仅是一个发动机的改型。6.8升V-10发动机专门以氢作燃料，但以许多福特汽车产品所用的模块化发动机系列为基础。福特汽车对这款氢燃料发动机进行了大量的优化工作。投产前，福特汽车还在测功机上对发动机进行了7,000多小时的开发和试验以确保汽车交付客户时拥有最佳的耐久性和性能。
2.4.4 氢内燃机飞机
氢内燃机不但在车用领域得到认可，而且开始进入航空领域。波音公司研制出“幽灵之眼”无人驾驶飞机，使用液氢作为动力，被喻为最干净的飞机。可在4080英尺的高空进行侦查和情报收集，每小时62海里，可进行长达四天的巡航飞行。波音公司也正在研发最大续航时间可达到十天以上的无人驾驶飞机，其机体大小可媲美一架轻型战斗机，主要用于测试飞行，试验更多更先进的技术。
2.5 全球氢能基础设施市场规模
有资料表明：全球氢能源基础设施的市场规模到2050年将达到1.56亿美元，如美国加利福尼亚州在2015年普及FCV（燃料电池车），建立约70座加氢站，2017年增加到100座以上；德国2015年将建设50座，最终建1000座加氢站；日本计划2015年之前见100座，2030年之前增加到1000座加氢站。
3 氢内燃机汽车发展期待推力
相比之下，国内氢能源发展比较缓慢。鉴于此，今年两会上，民进中央提交了“关于加快推进氢能源利用的提案”，建议国家出台政策，大力扶持氢能源技术及产业的发展：支持氢能源生产、贮存、加注设备以及氢燃料电池的研制和生产；支持有关企业盘活现有风力和光伏发电资源，充分利用现有风力发电设施，实现氢能源低成本规模生产能力；加快推广氢燃料电池汽车的应用；支持氢能源供应基础设施建设；支持轮毂电机的研究和应用推广。
关于氢内燃机汽车的市场化，刘福水教授给记者讲了一个故事：某市公交汽车老化且所排出废气污染严重。该市领导找到他希望采用氢内燃机汽车替换旧车。为此，刘福水教授专门找了某制氢厂和某客车厂，大家都愿意促成这事。那家制氢厂领导说，他的电解水技术制氢，4度电可产1m3氢气，成本价，也就1.8元，可以卖到3到5元/m3,这要比汽油和液化天然气都便宜。可事情发展到最后，却是不了了之！为什么会这样呢？
刘福水教授说：从氢内燃机的技术上以及氢的来源和氢的储存方面看，氢内燃机汽车走向市场的条件基本成熟。然而，氢内燃机汽车要发展，要打破现状，需要来自国家的相关政策，以及行业协会和相关企业的辛苦工作。氢内燃机汽车发展期待推力！
刘福水教授就氢燃料汽车在我国的发展，提出了四点建议：
3.1 利用CDM机制
用减排的CO2换取初期启动经费或补贴；
3.2 政府政策支持，开展示范运行
希望政府能关注和支持氢内燃机汽车的发展。可以先在城市的公交汽车上搞试点。
3.3 建立法规与标准体系
希望中国工业气体工业协会氢气专业委员会，能借助行业协会的优势，拓展服务领域，从氢气走向氢能，并积极牵头或参与制修订相关氢内燃机汽车的行业标准，推动我国氢能事业发展；
3.4 推动制氢、储氢、加注及车辆应用方面形成产业链！
希望中国工业气体工业协会氢气专业委员会，能借助行业协会的优势，联络相关企业，成立关键技术攻关联盟，形成上游、中游、下游产业链，促进我国氢能事业发展。
刘福水教授简介：
刘福水，男，德国勃兰登堡科技大学工学博士，北京理工大学二级教授、博士生导师，机械与车辆学院学科带头人。主要从事车辆内燃机总体设计、燃烧与仿真、氢能源动力等领域的研究。中国能源学会常务理事、中国氢能学会理事、总装备部装甲车辆与动力传动专业组成员，中国汽车工业学会代用燃料分会副主任委员、中国汽车工程学会代用燃料分会副主任、国防科工委兵器系统中长期发展规划专家组成员，北京理工大学学术委员会委员，中国工业气体工业协会专家。