2023年6月15日，清华大学车辆与运载学院、智能绿色车辆与交通全国重点实验室教授帅石金在第十五届中国汽车蓝皮书论坛碳中和专场谈论上，以《碳中和背景下氢内燃机与氢燃料动力电池技术发展趋势分析》为题，发表主题演讲。

各位朋友下午好，非常感谢主办方的邀请，就碳中和下内燃机和燃料电池做一些分享。上半场的讨论非常精彩，我下面也很想要说说话，我今天分享的内容相信对上半场大家怎么看待电动化、看待内燃机，下半场如何把燃料电池拉进来做一个衔接。我算是做发动机的，但这些年，在碳中和电动化的背景下，我也在五六年前涉足到了燃料电池，不仅氢燃料电池，还有固体燃料电池，借此机会分享一下内燃机和燃料电池是什么关系，谁会胜出，是怎样的未来？

还是先回到燃料问题，氢是我今天重点讲的，但它不光是氢，上游还有电，氢下游还带来了很多燃料的问题，也涉及到氢燃料发动机的燃料问题。当然在此基础上，我相信很多人都知道燃料电池、内燃机，但是放在一块怎么看待？它是有相通的地方或是非常的相同的地方，我和章（俊良）教授也讲，他搞燃料电池，我搞内燃机的，我说上台我俩PK一下。

我重点从燃料效率来分析。大家都说燃料电池效率高，高到什么程度，内燃机高不高，探讨这个问题。在此基础上再讨论氢内燃机，氢是不是给内燃机的救命稻草，以及燃料电池也用氢，围绕这两个话题谈谈个人的认识，最后是总结展望。

电-氢互联互补是实现碳中和的最佳路径

这个全产业链路图是我最近很愿意拿出来分享的，因为这是我自己的知识产权，2021年疫情期间写了一篇内燃机综述的文章，碳中和下内燃机怎么发展？是不是机遇？有没有挑战？当初把燃料的问题、包括涉及到电的问题做了整个全产业链的分析。

当然这里涉及到可再生发电的问题，制氢、储氢、运氢（燃料电池也面临这个问题），还有碳捕集，如果是E-fuel就会有碳捕集的问题，还有绿氨、甲醇合成燃料的发动机，也包括燃料电池，它是一个产业链。

我这里只想讲一个，这张图里里标了几个点，第一个是可再生电，如果从可再生角度来看，中国现在只有不到20%，到2065年是80%以上的可再生电，所以一定是风能、太阳能、水能等等，它是首先得到电，所以绿电在第一个产业链是占优势的，我想碳中和也是呼应电动化。刚才讲的内燃机最大的挑战，原来我们一家独大，现在电来了，电动车来了，是PK关系吗，是你死我活的关系吗？

确实内燃机在早期的时候，实际上我们和电动车干过一仗，把它干掉了，它实际上比我们早，现在它又来了，要PK，所以这个问题我们回避不了。总体来讲，碳中和，包括电池技术得到突破之后，确实给我们内燃机带来很大的压力，我们很多硬场景在收缩，这是不争的事实。从这里看得出来，碳中和又把绿电拿出来了，它在第一环节。但是我们发现电有它的问题，等下我们会讲。

第二个环节就是氢气或者氢能源可能是我们未来实现碳中和不可缺少的环节，必须得有它。光有电，你会发现80%的碳中和可能很难实现，所以氢又提出来了。当然氢可爱又可恨，可爱的是一个零碳，可恨的是太轻了，体积能量密度太低了，占体积大，它有安全问题，有储运成本非常高的问题。所以这里提出来了氨，有没有可能用液体的燃料，刚才说内燃机确实赢在油箱上，赢在液体燃料，氨的存储运输是解决了，就是液体的，存储没有大问题，是可以解决的。但是怎么去用，氨内燃机不好烧，不容易着火，不容易火焰传播，当然现在搞发动机的在做这个研究，在攻这个关，这是一条路。

有的人说氨不好用，有没有别的液体燃料？有。这就是我们讲的，如果把捕集的二氧化碳再和绿氢混合，去合成，就得到了我们非常熟悉的各种E-fuel，产业链里头甲醇是第一个，就是捕集的二氧化碳和氢，可以一步也可以两步来实现。所以现在甲醇大家看到，过去我们说它是煤制，便宜，但你是高碳的，现在我们讲，故事变了，因为碳中和液体燃料是放在前面的，所以我把它排在第四。

但是这里问题出来了，本身是去碳、是零碳，结果把碳带来了，我们讲的碳捕集，我们理解是直接空气捕集碳，这个故事是非常圆满的，从空气中捕集碳，再排到空气中去，这是零碳。如果不是这样，如果你是从烟囱中捕集过来，再排出去，你是换一个地方排了。如果碳交易实施之后，这个问题怎么弄，它一定要算到你身上的。但它的好处是，常温常压就是液体燃料甲醇，能量密度比汽油低50%，油箱大一倍，没有大的问题，尤其在重卡上。

当然我们还讲，后面故事好多，最好我搞内燃机的不希望用甲醇，用汽油都可以，啥都不变，所以甲醇合成汽油这个技术非常成熟，等下郭主任他们来讲，这个技术是成熟的。所以我现在的汽油机都不用做任何改动，它的汽油高标号，品质非常高，完全可以得到和化石一样的汽油，但它是E-fuel，它有可能是碳中和。当然这里还有选择，我们有合成气，我不同甲醇，一氧化碳和氢气，我就得到费托工艺柴油、煤油都可以实现零碳，所以这里进行了分类。

如果纯粹讲零碳燃料，这个燃料不含碳就是氢、氨，如果讲到含碳就是E-fuel，碳氢氧，这两个加起来实际上是碳中和燃料。

我认为新能源车，现在我们可以重新定义了，这个链上所有的应该叫新能源，电也是，氢也是，包括E-fuel，我希望大家形成这个观点，过去为什么电动车也有不同的认识，因为你不是真正的绿电，不是真正的新能源。我希望我们的政策、技术路线也给我们新的机会，也给我们E-fuel机会，这是公平，因为最终都能实现零碳，只是产品不一样，场景不一样。我觉得非常重要，我们搞发动机如果对燃料不认识清楚你在谈，本质效率提高一两个百分点不解决问题。

当然回到电，我认为电是一个好东西，因为它太好了，它是人类不可或缺的“能量中转站”。它的来源广泛，因为电机的技术非常成熟，包括热、光很容易得到电，存储方便，当然它的问题也在这里，虽然方便但是成本高、存储它的电池能量密度不高。好处是传输快捷、容易转换，它也是从基建热能、光到电，可以转换成相关能源，还有一个很好的，它可以精确控制。但是它面临的挑战属于过程性能源，为什么氢有机会，就是因为你有白天、晚上，你有有风、没风，所以这就造成了你仅有电，是不可能实现80%的可再生，所以氢是不可少的。所以电本身不是问题，是电池的问题，就是它的存储昂贵，你扩大产能，它是成比例把成本拉上去的，它的资源问题，加上我刚才讲的能量密度的问题和油箱没办法比，加上电网的覆盖，我们不能说随时可以拿到电，这就给我们氢的机会，我想这是氢能。

所以氢能也是人类不可或缺的能源载体，也是人类不可或缺的化工原料，人类要靠氢实现碳中和，作为能源也是可以用它的，它的来源也很广，我也不讲了，质量热质高，但是它的体积热质非常少，所以话是两方面说，清洁无污染，故事很好听，利用形式多，我既可以烧它，我也可以电化学用它，非常干净，故事非常好听，所以它面临的挑战就是体积能量密度太低了，存储占空间，尽管现在高压七百个帕，包括液化，你看液化也就比七百个帕少一半的体积，但是不管你怎么用，还有氢化酶的存储，液化也好、高压也好，包括金属存储，都技术上有很大的挑战，成本也非常高，这就是它的问题，包括安全问题，但某种程度上安全它不是问题。所以氢能也给我们带来了机会，光有电也不行。

未来实现碳中和理想能源载体组合就是电-氢互联互补实现碳中和，我已经讲到这个背景了，我们希望电，现在是化石为主的发电，煤电、天然气发电，以后就是可再生。但是到了氢之后，为什么缺不了氢，多少应用场景需要氢，化工也好，能源也好，原来说是不可能有氢，现在是有可能有氢，肯定有氢了，大家怎么把它用好，所以燃料电池要抓紧机会，我们搞内燃机的也想争这口气，也想和它PK，我和章老师是好朋友，今天我们要PK，在技术上我们是不同观点，这是我们今天讨论的非常重要的话题。

这篇图也是我当时的论文，我讲了我们有不同的碳中和燃料，当然会有不同的动力，你会发现多元化选择，我们和搞电的人不是一路人，但是现在在一条道上。燃料电池、氢燃料发动机都面临和它的竞争，如果绿电成本很低，储能成本很低，能量密度高，那麻烦了，肯定是和电机完美结合，刚才许敏老师也同意了，那就是共产主义实现了，我们退出历史舞台没问题。假如电随时都能获得，使用场景都能满足，这条道上我们仍然认为是电动化，它的基础是在这儿，它是有底层逻辑在这里的。但是绿电到不了的地方，氢是有的，那我们燃料电池可以来，固体氧化物燃料电池SOFC也在争，所以你用氢也好，用氨也好，另外我也可以烧，但是我知道，氢发动机机会更多，氨可能要混烧，但是我们搞内燃机的人也在争这口气，把这个问题解决了，它是零碳的燃料，这个实现碳中和没有任何问题的。

我们最希望是E-fuel，液体的、电质的、直接碳捕集的，我柴油、汽油、甲醇都有未来，挺好的，啥都不要动，照样实现碳中和，大家算过这个成本没有，这也是一条路线，我认为也值得探索。

另外我们现在所谓的生物质柴油、汽油已经在用，部分实现碳中和，增加乙醇的比例，就是低碳，就是节能，我啥都不用变，以后纯汽油没有了，我用高比例的乙醇难道不是零碳，不是低碳吗，我想是，这是讲的交通能源的路线。

现在回到氢动力了，我今天重点讲氢动力在车、船、飞机上的应用。因为清华成立了航空发动机研究院，特殊场景只要是商用的，波音也好，空客也好都在考虑氢，而且真正已经在做了，我个人认为氢动力没准最适合的是航空。因为它没有加氢站的问题，就是点到点，飞机体积大，越大它越不怕，氢的问题在航空里头非常有意思，所以我在航空界呼吁这个问题，可能是最合适的。

在其他交通领域，可能商用车机会更多，乘用车有没有机会，也可能有，但纯电、插电已经是比较好的选择了，如果混合动力也是个选择，乙醇的、甲醇的、碳中和的，它就长命百岁了，就能满足各种需求了，现在氢动力现在在纯商用车里应该还有机会，当然这里还有燃料电池，当然船里头我认为氨、混合燃料可能机会更多一点，这是关于它的应用场景。

这是我前面给大家做的铺垫，我认为很重要。

氢燃料发动机、氢燃料电池效率孰高孰低？

这个图也是我自己画的，氢内燃机跟燃料电池是完全一回事，因为入口都是氢气，都是相关的碳氢燃料，出口就是机械能，所以内燃机等于燃料电池+电机，这个非常清楚。所以它有很多的相同点，能量转换装置，化学能到机械能都是这样的，中间无非是内燃机有一个热能，燃料电池是电能直接就过来了，学科也是相通的，燃烧化学，电化学都有热的问题，效率上也差不多，等一下我会讲，不同点也有，往复、运动、旋转等等。

所以从效率的角度，这是我发动机原理，跟学生上课，我们也在写教材，原来只讲发动机不行，学生不干了，你必须得讲电机，必须讲电池，我也算半个懂这方面，没有办法，逼过来，这么大年纪还在学习。大家看得出来，内燃机的燃烧有效效率等于燃烧效率×循环热效率×机械效率。燃烧效率汽油机接近100%，燃烧非常高效，那个效率没有多大油水，就是排出来一点颗粒物，一氧化碳，那有多少，非常高效。我们输在什么地方，就是循环热效率，但是这是卡诺循环决定的，因为你的热能最多只能排环境温度，不可能排到负273度，这是我们面临的问题。

同样想想，我们讲的燃料电池，我们的主要竞争者，它的效率作为发动机来讲，入口，出口一样的，也是系统效率×电机效率，峰值95%以上，这个没有问题，电机里讲的，但是燃料电池的系统效率等于电堆效率×附件效率，附件效率一样有损失，当然电堆效率的理论效率，我们也了解是比较高的，80%多，甚至90%以上。它的损失是什么，我待会儿会讲，我说得不对的请章老师指教。这是我要讲的，燃料电池中，它的效率在什么地方？因为它一样，函就是热值，关键是那个温度×熵变，它的热损失，燃料电池也有热损失。内燃机也是一样，不可能是负273度，随着工作温度升高，效率是掉下来的，因为燃料电池有氢的，还有其他的固体的燃料电池，氢的热效率不是最高的，如果烧甲烷，氢没有它高，所以理论下燃料电池是有一定的优势。但是，它的损失，仍然也是巨大的，在什么地方？三个环节，理论上88%，我们用氢来讲没有问题，但是你的极化损失比较大，别看氢燃料电池不烧，但是100多度化学反应，你得用贵金属，才有可能在温度比较低的时候进行电化学，所以这个活化能损失比较大，一下子把电压拉下来。中间还有欧姆极化，膜又贵，干也不行，湿也不行，也是有损失，浓度分布不均匀，进气，传值也会有损失，掉得很厉害。

我看了一下，先不讲电机，燃料电池，第一负荷是比较高的，60%左右，中高负荷的时候效率也就是40%多，50%多，但是我内燃机，我现在过去的效率不高，20%多，30%多，现在为什么高了？是因为我拥抱了电，所以电对内燃机是巨大的促进，不是你死就是我活，我的内燃机拥抱了电，所以我的效率也提到40%，也到了50%，今天不展开这个话题。燃料电池也是混合动力，一样有电池，因为它启动满足不了动态效应，你也是混合动力，我也是混合动力，一比差不多，一样的系统，可能比我好一点，你还有一个电机，章老师你不要不愿意听。所以我们讲的未来的零碳动力，也是麦肯锡拿出来的，我认为比较合理，生物质燃料，纯乙醇，生物制柴油很多好处，量上不来，满足不了再生。动力电池电极效率高，天天盯着电池，这就对了，我用油箱跟你PK。那么内燃机和燃料电池都是一样，燃料前端完全一样，我们要PK是能量转换这一端，各有优势，你的故事很好听，但是我要抓到你燃料电池是你的成本，你的可靠性。内燃机的产业链非常成熟，烧氢绝不是一个新生事物。我们在这个动力层面，使用端来PK，促进行业进步。详细不展开讲，各有优势不说了，但是从效率角度讲，纯电高高在上，所以使用起来是便宜，就是电池贵，能量密度，里程焦虑，充电焦虑，低温的时候东北不愿意用它，所以才有内燃机机会，燃料电池的机会。这里讲得非常清楚，真正中高负荷差不多，半斤八两，我们PK一下，内燃机这些年进步很快，我认为差不多了。

氢内燃机有能力解决它的问题

我认为现在内燃机行业已经发力，产业介入，现在内燃机，大家认为是氢能源，只要是内燃机就要淘汰，要禁止，这是不公平的。第一张图我说得非常清楚，产业链上都是新能源，所以我们氢内燃机也是新能源汽车。

说到氢内燃机，这个我说一下，历史也非常悠久，我们原来为什么不愿意去谈这个话题，因为氢没有可能，化石能源危机老在那里打转，现在必须谈，因为和碳中和密切相关。它的热值，实际上它的功率不会损失，只要是直喷的，混合机热值比较高，就是因为它的质量热值比较高，火焰传播快，点火非常容易，零碳，真正没有碳排放，但是它有氮氧化物排放，问题也有，早燃问题，回火问题。我们可以通过直喷点火混合机形成的。唯一就是这个有一个尾巴氮氧化物排放，但是我有办法，因为SCR，在重型车的料素罐已经到处都可以解决这个问题，是内燃机就行了，没有问题，所以有一些可靠的，喷射系统、氢脆、润滑，我认为都是技术问题，都可以解决。另外也可以看到，一定是用直喷，因为氢本身的体积能量密度是比较低的，但是直喷可以把动力提上来。这是我很早时候，在德国亚琛拿到一个课件，早就做了这个技术，早就就氢喷射，液氢喷射都有，直喷的，都有。

这是当时他们也做的，关于一些燃烧的问题，在动力性提升，获得很好动力的同时，氮氧化物也在升高，但这个是技术问题，可以解决。后处理的问题，我是做过后处理，柴油机那么复杂都干掉氮氧化物，颗粒物，对氢内燃机是小儿科了，国7、欧7都可以满足，可以降到几个PBM，都可以的，技术是成熟的，我搞一个催化器、过滤器都是现在非常成熟技术，用在氢上面成本低得多，没有大问题。

同时，直喷，高压，增压，阿特金森，都是现在汽油机所有的技术，而且它的效率可以比你现在的汽油机还高。当然有一些要关注产业化，关注的部件我也不讲了，重点是喷射系统，氢脆的问题不突出，润滑的问题石化企业也有了解决方案。

这里是我想讲的，真正要把氢内燃机产业化解决的问题，一个是，技术路线图包含进去，它也是新能源，解决认识问题，政府要认可，在座媒体要认可、宣传我们，不要禁燃，它是真正新能源。第二个是制定氢燃料标准。第三个是把氢内燃机排放标准纳入现有车船排放标准体系，同时要让市场接纳氢内燃动力、氢内燃动力汽车纳入产品3C认证等。

刚才我讲了，氢宝马在上世纪80、90年代已经是技术成熟度，效率已经是42%，比我们现在内燃机高，同一个水平，喷射系统，点火系统，我是记得那一年，我到北京科技馆亲自看了几十年前就有这个技术。

氢燃料电池工程效率比较高了，额定效率50多有，总体上比我们高一点，这个我也认可。未来提高效率，就是把这个电压，把那条线往上移，减少三种极化损失，包括耐久材料问题。在看这个是日本的一个图，近期就是提升功率密度，降低欧姆损失极化和浓度极化。长期催化体系要改变，很多人做这个工作，把它整个抬上去。活化损失，欧姆损失，浓差损失，一些技术路线催化剂，水管理，一些分布均匀性等等去降下来就行了，这里我讲了，跟刚才一样，不去多说了，电池的技术。这是我们清华也在做，我们这个团队也在做，我们也是降低浓差，提升电池的性能，通过CFD来模拟这个水烟的问题，另外还有一个格子波茨曼法，那是非常详细的，孔道里面的流动，我们都能够把它展示出来。

碳中和不讲了，我认为纯电，确实电动化没有问题，但是它的毛病，电池的问题我老盯着它，这个问题不解决，就是我们的机会，解决了共产主义就实现了。

内燃机混合动力一定是的，没有纯内燃机了，一定是拥抱电才有未来，HEV才是内燃机的未来，跟氢、氨、E-Fuel一起把成本降下来就是长命百岁。燃料电池故事很好听，比我们高一点，但是成本，你的寿命等等，章老师，你等一下说服我。

我就讲到这里，谢谢大家。