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氢内燃机的异军突起,丰田改戏直接烧氢

丰田改戏直接烧氢

9月有媒体报导,丰田燃氢引擎将开始量产,将在明年年底前发布两款2023氢动力汽车—新版普锐斯(Prius)和卡罗拉(Corolla),使用氢气为引擎直接提供动力。

媒体关注到:该公司已经发布了两代Mirai氢动力燃料电池汽车(FCEV)。此外,该公司还制定了氢动力重型卡车的计划,公司最近宣布将在肯塔基州的一家工厂组装重卡燃料

普锐斯是全球第一款大规模生产的混合动力汽车,1997年开始上市,整个产品系列包括混合动力和插电式混合动力车型,第五代普锐斯将纳入氢燃料车型,氢动力与插电式混合动力结合,是前所未有的动力组合。预计明年推出的CorollaSportsGR,装备257马力的1.6升三缸汽油发动机,它的氢动力版本将于2023年上市。

外媒分析:虽然皆是以氢气作为能源供应,ToyotaMirai是以氢燃料作为电池电力的补充,架构上属于电动车;而Prius氢电版则是保留了传统的内燃机,只是燃料由汽油改为氢气,电池组与电机的部分则没有变动。这套氢电动力系统在2020年6月安装在Corolla车款上并参加24小时耐久比赛,说明这套系统确实有量产使用的潜力。

丰田新的氢电系统,采用ToyotaGRYaris搭载的1.6L三缸涡轮增压发动机进行改装,将燃料由汽油改为高压氢,由四组碳纤维高压氢罐供气。

今年3月,长城氢柠计划,它包含100多项企业标准,500多项硬件需求,5000多项软件需求,数千个检测项目,实现了“电堆及核心组件、燃料电池发动机及组件、Ⅳ型储氢瓶、高压储氢阀门、氢安全、液氢工艺”六大核心技术和产品的知识产权完全自主化。6月17日,长城汽车蜂巢动力第1000万台发动机下线,在下线仪上,蜂巢动力还展示了未来的产品规划,其中包括6款全新发动机:1.5L第五代DHT发动机、2.0L第五代发动机、2.0T稀燃预燃室发动机、合成燃料专用发动机、氢气发动机。

据报道,长城研发的氢气发动机能输出最大功率120kW,峰值扭矩230N·m,并且搭载氢气专用直喷系统、高压耐腐蚀氢气供给系统等多项新技术,发动机的热效率达到42%+。

9月9日,广汽研究院自主研发氢发动机成功点火。

长安汽车也有研发氢发动机的报道。

燃料电池汽车进退两难

另外一组报道是“坏消息”。由于销售低迷,8月本田汽车宣布终止氢燃料电池汽车ClarityFuelCell的生产,包括氢燃料电池版和插混版。本田被质疑放弃氢燃料电池汽车路线,本田汽车回应说因疫情、芯片短缺等因素影响,不得不缩减开支决定停产不佳的小众车型,今后将继续探索氢燃料电池汽车技术。

本田从1999年就开始燃料电池汽车的研发,并坚持每年推出一款新的燃料电池汽车,到2003年推出FCX-V4之时,技术参数已经与现在的燃料电池汽车已经非常接近。但是2003年后本田没有对FCX-V4更新,到2007年才推出了Clarity,但本田再次“断更”,直到2016年才重新推出了第二代氢燃料电池汽车ClarityFuelCell。ClarityFuelCell累计销售1900多辆,平均年销量不足400辆,2020年全球销量仅240辆。

2021年年初,《日本经济新闻》报道,日产汽车宣布暂停与戴姆勒及福特合作开发燃料电池汽车的计划,集中精力发展电动汽车。奔驰宣布停产2016年6月推出的、目前唯一的燃料电池乘用车GLCF-Cell,将业务重点转向电动汽车领域,在氢燃料电池方面转向了重卡,并于2020年9月在全球首发了其梅赛德斯-奔驰GenH2氢燃料电池概念卡车。

2018年报道,日产-雷诺-三菱联盟宣布由于燃料电池汽车开发耗资巨大,难以同时开发多项技术,所以“冻结”2013年与戴姆勒、福特签署的燃料电池车、商用化计划,并经营资源集中于纯电动汽车的研发。

通用汽车公司今年早些时候表示,尽管它已承诺将燃料电池用于商业和军事用途,但它也将放弃在乘用车中使用氢燃料电池。

有的报导指出:氢燃料电池车相对售价较高,成本较高,进而导致其相对小众;加氢站等基础设施还尚不完善,普及率不高,加氢的价格并不低;氢燃料电池产业供应链体系尚不完善。

现代汽车是发展氢燃料电池决心最坚定的,但是现代汽车也明白近期难以取得商业化突破,因而提出:到2030年,现代汽车集团以实现氢燃料电池车(FCEV)的价格与纯电动汽车(BEV)相当为目标,确保拥有价格竞争力。现代汽车将燃料电池项目的重点转向,宣布将在2028年率先成为全球首个旗下所有商用车型均搭载氢燃料电池系统的汽车制造厂商。在欧洲,现代已经在部分国家投放了氢燃料版本的Xcient卡车。

《世界报》经济专栏作家菲利普·埃斯康德表示,目前,氢燃料电池汽车的生产成本远高于纯电动。因此,氢能源技术至少需要10年时间才能成熟起来,这对参与企业来说还是存在风险的。另外,法德等欧盟国家仍未制定统一标准,也将进一步放缓相关项目的推进。

近日,媒体报道,奔驰GenH2氢燃料电池重卡完成初期测试。据奔驰的解释,Gen代表Generation,意为时代,而H2则代表着氢气。这款卡车将超过1000公里,车辆总重为40吨,有效载荷能力为25吨。根据官方消息称,GenH2计划2023年开始客户试用,2025年后投产。

戴姆勒认为,使用氢作为燃料是未来卡车运输的必然之路。借助燃料电池将氢燃料转换为电能,比起采用电池储能的方式来说,自重更低,续航里程更长,更加适合未来的长途运输。

戴姆勒认为,电池卡车和氢燃料卡车并非互相取代的关系。电池卡车更加灵活,更适合城市使用,而氢燃料卡车则更加适合点对点的干线运输。

由于商用车大多载货量大、行驶距离远且使用频率高,目前受限于时长和续航里程的纯电动车很难满足商用车的使用需求。同时,此前在商用车领域占据相当地位的柴油车清洁技术已经“见顶”,无法满足更高要求的排放标准和电动化趋势。因此,氢能源目前被认为更适合应用于商用车领域。

氢内燃机是可选方案

氢内燃机也不是新鲜事务。宝马公司是氢燃料内燃机硏发的先行者,1979年,宝马汽车研制的第一辆氢内燃机汽车已经行驶在路上。从柴油机/内燃机的改造开始,到现在已经研发了6代氢燃料内燃机轿车。

2004年,以宝马760i的6.0LV12汽油发动机为基础改造而成的H2R氢内燃机汽车,完成了高速试车场的测试,创造出9项速度记录,充分展现出氢内燃机汽车具有的巨大潜力。2007年,宝马发布了世界首款氢动力汽车“氢能7系”。

差不多同时,2006年,福特的V-10氢内燃机投入生产,2007年开发出氢内燃机公交车。福特公司宣称,氢气能够将内燃机效率高25%~30%,而这一效率已和氢燃料电池大致一样。

2007年,长安汽车与北京理工大学合作研究出PFI氢内燃机汽车。

2021年5月12日,在中国品牌博览会上,一汽红旗展出了氢气发动机车型。

相比于氢燃料电池,氢气发动机最大的优势在于成本。目前,100kW的氢燃料电池电堆大约需要50万元。国产100kW柴油机的售价约在6万元,氢气发动机的成本贵15%左右,约为6.9万元。

康明斯发动机事业部总裁潘澍康表示:“氢燃料发动机在减少排放,提升动力及其它性能表现方面拥有巨大的潜力,康明斯正在利用最新的技术,通过全新的发动机平台,提高产品的功率密度,减少摩擦阻力,并提高热效率,从而有效避免将柴油或天然气发动机的燃料转换为氢燃料的过程中,出现性能受限和效率损耗。目前,我们已取得重大技术突破并将继续推动研发进展,我们对这一创新动力解决方案的市场前景非常乐观。”

康明斯把氢燃料发动机定位为作为氢燃料电池,电动电池及可再生天然气动力链的补充技术选择。

氢燃料内燃机具有多种燃料适应性,不仅可以使用纯氢为燃料,也可以使用氢与天然气、氢与其它燃料的混合燃料,是当前降低对石油依赖的重要途径。氢燃料内燃机没有温室气体二氧化碳排放,没有CO、HC和碳烟排放,还具有较好的燃料经济性。

2004年5月,美国能源部启动“先进车辆测试行动(AVTA)”项目,对氢燃料内燃机进行了全面的评估,指出“氢燃料内燃机既可以燃用纯氢也可以燃用传统的石化燃料,具有很好的燃料适应性。这一特性在近期氢燃料供应设施不完备的情况下是非常诱人的;氢内燃机还具有以下优点:在各种气候条件下都能正常工作,无需加热设施没有低温启动问题,燃烧效率高(比内燃机高出25%以上)”;该项目的最终结论是氢燃料内燃机车辆在通向氢燃料经济的道路上是一种非常重要的中间技术。

重型货车和非道路移动源排放严重

根据生态环境部《中国移动源环境管理年报(2021)》,2020年,全国汽车一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为693.8万吨、172.4万吨、613.7万吨、6.4万吨。其中,柴油车排放的氮氧化物(NOx)占汽车排放总量的80%以上,颗粒物(PM)占90%以上;而汽油车排放的一氧化碳(CO)占汽车排放总量的80%以上,碳氢化合物(HC)占70%以上。

按车型划分的汽车污染物排放量,小客车在一氧化碳、碳氢化合物排放量的分担率最高,重型货车的氮氧化物、颗粒物排放的分担率最高。氢燃料内燃机在改善重型汽车排放方面可以发挥显著的左右。

内燃机的救星

北京大学能源研究院《双周能源要闻》第14期发表了一篇文章《氢内燃机或可成为内燃机救星》。文章指出:“在全球碳中和目标下,传统内燃机汽车减排压力日益增加,美国要求2027年比2010年减排46%,欧盟要求新售高速重卡2030年比2019年减排30%。麦肯锡近期撰文称,氢内燃机或可拯救内燃机车,通过改装传统内燃机,使其燃烧氢气,是实现内燃机减排并持续生存的一个技术选项;不过改烧氢气后,内燃机虽然可以实现零碳排放,但可能会产生氮氧化物污染,需要增加催化设备进行后处理,这也是多数人认为燃料电池汽车能更清洁利用氢的重要原因。麦肯锡通过对比生物质合成燃料、氢内燃机、燃料电池、锂电池汽车等4种新型汽车技术后发现,氢内燃机技术仍然处于初期阶段,但由于燃料电池和锂电池汽车尚不足以应对高动力需求场景(如矿山用车),内燃机技术在这种场景中优势明显。氢内燃机和氢燃料电池可以成为氢能生态系统中两个有互补性的零碳汽车选项。”

麦肯锡的《氢内燃机如何为零排放做出贡献》一文指出:在世界上许多最大的市场,监管机构正在收紧公路卡车的排放规定。

传统上,非公路用卡车受到的监管审查较少;然而,非公路领域的原始设备制造商预计来自客户的脱碳压力会越来越大。对于工程车辆,城市的空气质量法规正在加强脱碳规则,并引导客户使用零排放的挖掘机、装载机、平地机和叉车。随着社会对农业部门可持续性的日益关注,消费者压力很可能促使迅速转向零排放农用拖拉机和喷雾器。

报告认为,目前有四种零排放动力总成技术适用于重型公路和非公路车辆:电池电动汽车(BEV)、氢燃料电池电动汽车(FCEV)、氢内燃机(H2-ICE)和生物燃料或合成燃料内燃机(如果可持续使用碳源)。混合动力和燃气发动机代表了在中期减少排放的过渡技术,但不能单独实现零排放。

四种零排放技术各有优缺点,因此适用于不同车型的程度也不同。

麦肯锡报告说:虽然我们将所有四种技术都称为零排放,但在生产电力、氢气或合成燃料的过程中产生的CO2排放可能会有很大差异。尽管BEV如果仅使用可再生能源充电,则是碳中和,但目前在大多数地区(考虑到全球电网组合的高碳强度),当使用电网电力充电时,BEV的使用会导致高碳排放。制氢产生的碳排放也有很大差异,但更容易控制。例如,在可再生能源丰富的地区,“绿色”氢可以由100%太阳能和风能生产,并输送到任何加油站。生物燃料和合成燃料的碳强度分别取决于生物质和碳的来源。

油箱到车轮的效率范围从纯电动汽车的75%到85%到燃料电池汽车的大约50%和内燃机的大约40%到45%。在从油井到车轮的水平上,差异更加明显:考虑到从电力生产氢气和从氢气生产合成燃料的转化损失,FCEV的效率下降到约35%,H2-ICE的效率下降到30%左右,以及大约20%合成燃料的百分比。BEV的从井到轮效率取决于可再生能源的生产地点(因为更长的传输线意味着更高的损耗)以及是否使用快速充电。

BEV的高效率需要昂贵的电池,而效率较低的氢和生物燃料/合成燃料可以在与今天的柴油发动机基本相同的简单内燃机中燃烧,它们可能比柴油发动机更便宜,因为排气处理要求较低。

电池比任何燃料都需要更多的时间来充电,这可能会导致正常运行时间减少,从而影响全天候运行。

因此,H2-ICE可以成为各种环境中可行的动力系统选择,包括采矿自卸卡车(图3)。

麦肯锡报告认为:氢燃烧是一种新兴的解决方案,可以通过利用成熟的技术和供应链来填补一个重要的利基市场。

在四种零排放技术中,氢燃烧仍处于起步阶段,尽管历史可以追溯到1806年的deRivaz发动机,但很长一段时间,氢内燃机被忽视,因为氢的成本非常高,使得动力系统不经济。然而,今天,一些汽车原始设备制造商、零部件供应商和初创企业正在重新考虑将氢燃烧作为其未来动力总成产品组合的附加组成部分,与电池和燃料电池一起。

尽管取得了令人瞩目的发展,但电池和燃料电池技术尚未准备好满足许多重型车辆(尤其是非公路用车)所处的恶劣条件所需的极高功率要求。例如,矿用卡车需要数兆瓦的电力,昼夜不停地运行,并暴露在极端振动和热量发展以及空气中的污垢中。几十年来,内燃机一直满足这些要求,从柴油转向氢气可能是使这些发动机脱碳的直接方法,对进一步技术创新的要求相对较小。

即使电池和燃料电池在技术上可行,氢燃烧也可以开辟出利基市场。内燃机的低资本支出要求、氢气价格的下降以及H2-ICE在高负载下实现的相对较高的效率创造了条件,其中氢气燃烧可以成为具有TCO竞争力的解决方案。此外,由于双燃料内燃机可以使用氢气、液化天然气(LNG)或柴油(或氢气混合物)运行,这取决于可用性,它们可以帮助氢供应和基础设施尚未完全实现的汽车领域脱碳覆盖。

除了这些考虑因素之外,H2-ICE还为汽车原始设备制造商和零部件供应商提供了其他优势:它们利用当前的工程知识和工作机会,利用汽车行业现有的供应链和生产能力,并且不会造成可持续性和完整性问题围绕贵金属或稀土的供应和回收。

氢燃烧和氢燃料电池是互补的,因为它们在同一个生态系统中成长。两种动力系统需要相同的基础设施;因此,每辆H2-ICE车辆都有助于降低氢燃料电池的成本,反之亦然。同样,两种动力系统共享相同的氢罐技术——在整个动力系统成本中占有很大比例。允许原始设备制造商和储罐供应商将研发和资本支出分摊到大量车辆上,将有助于降低所有氢燃料汽车的成本曲线,并支持两种解决方案的竞争力。最后,一些参与者正在积极开发氢内燃机、燃料电池和电池的混合解决方案,以最大限度地提高可变负载曲线的效率。

H2-ICE的优势包括更低的有效载荷损失和空间要求、与BEV卡车相比更快的加油时间、更低的成本以及更高的热和振动容限。各种汽车细分市场都可以从这些优势中受益,包括:

轻型车辆,如拖车;

中型车辆,如中程和消防车;

重型车辆,例如混凝土卡车;

采矿和建筑车辆,例如履带推土机、挖掘机和自卸卡车;

农用车辆,如收割机械和拖拉机;

氢的来源如何解决

我国煤炭储藏丰富,中国含煤面积为55万平方公里,其中深度1000米以浅的煤炭储量2.86万亿吨,2015年已探明储量15663.1亿吨,仅次于俄罗斯的2.5万亿吨和美国的1.6万亿吨,居世界第三位。其中高硫劣质煤不适宜直接用作发电或制造燃料,但可用于生产甲醇、制氢。

2020年我国煤制甲醇产能为7000万吨,在各种制甲醇方式中占比最高,达到76%;天然气和焦炉气制甲醇产能均在1000万吨左右,占比12%。煤制甲醇主产区为西北地区,占比60%。

甲醇本身就可以作为燃料给车辆提供动力。对现有加油站进行简单的密封件改造就可以用于加注甲醇,相比单独建加氢站也大大降低了成本。

甲醇在常温下就可以实现运输和存储,液体甲醇比气体燃料运输成本更低。相对于氢气、汽油和天然气,甲醇对环境更友好,属于易燃不易爆的化学品,易溶于水、易降解、不会对土壤河流等产生污染。

2019年7月1日,GB/T37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》正式实施,该标准对氢气中杂质组分的限制要求与GB/T3634.2《工业高纯氢》存在很大差别,后者对总硫、甲醛、甲酸、氨、总卤化物、颗粒物浓度都没有规定,CO虽然规定了含量要求,但高于GB/T37244-2018中的最大允许值的5倍。

为了避免催化剂中毒,国际上大多采用高温甲醇燃料电池。虽然这条技术路线解决了催化剂中毒问题,但在反应过程中对水的管理要求比较高,技术成本也比较高。

甲醇重整之后的气体杂质对燃料电池电堆内的催化剂影响较大,催化剂铂是贵金属并且很骄气,输入电堆中的气体纯度不高容易导致催化剂中毒。但是甲醇重整后氢气直接用于内燃机燃料就没有问题。

佳安氢源科技有限公司李想认为,目前全国运营的加氢站,绝大部分氢气的纯度或杂质含量并不能满足燃料电池的用氢标准,尤其是杂质含量过多,可能会给燃料电池带来不可逆的物理性损害。

工业氢与燃料氢有本质的区别,前者主要关注的是氢气的纯度,后者关注的是特定杂质的含量,即便纯度达到五个九(99.999%)的高纯氢,如果杂质超标,照样会对习惯吃细粮的燃料电池带来重大损害。氢燃料电池对氢气的要求非常高,“娇贵”的氢燃料电池很容易因为氢气中杂质的存在导致性能下降甚至报废。在工业用氢标准里边,高纯氢即5个9的氢也不一定能满足燃料电池用氢要求。

因此,目前有企业研发甲醇重整制氢方案。甲醇重整的优点就是可以摆脱对加氢站的依赖。

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