综述: 卡车用氢发动机与燃料电池的比较

来源：A Comparative Review of Hydrogen Engines and Fuel Cells for Trucks

一、引言

1. 研究背景：氢内燃机汽车（ICEVs）的概念近来重新受到关注，尤其是对于中重型卡车，本研究旨在对比氢发动机和氢燃料电池在卡车应用中的各方面表现。

2. 研究内容：从车辆效率、温室气体和污染物排放、氢燃料纯度、车辆属性、车辆购置成本、总拥有成本（TCO）以及美国和欧盟的新政策等方面进行比较。

   
   

           表1.  关于当前和未来8类级长途牵引拖车卡车的效率和氢存储尺寸

二、氢发动机简介

           图1. 氢发动机和燃料电池在不同负载水平下达到更高效率

1. 定义：氢发动机是经过改装的内燃机，使用氢燃料代替汽油或柴油。

2. 特点：

• 涉及车辆制造商和车队运营商熟悉的部件和技术，可利用现有生产系统和规模经济。

• 与燃料电池通过电化学反应转化能量不同，氢发动机通过燃烧过程将化学能转化为机械能。

  
  

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                   图 2. 从车辆效率的角度来看，动力总成技术在高负载下表现不同

三、车辆效率和燃油经济性

1. 当前效率对比：当前技术下，氢 ICEVs 的典型效率为 40 - 45%，而氢燃料电池电动汽车（FCEVs）为 50 - 60%。美国 EPA 的监管成本分析假设 FCEVs 的平均效率为 53%，氢 ICEVs 的效率为 42%，而电池电动汽车（BEVs）通常具有约 80% 的效率。

2. 与柴油发动机对比：目前氢 ICEVs 的效率或燃油经济性略低于柴油发动机，氢发动机可使用火花点火或压缩点火，火花点火技术可能更早推向市场，而压缩点火技术效率更高，可能稍后推出。随着先进压缩点火技术的发展，氢 ICEVs 的制动热效率可能略低于柴油车辆。

   
   

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   图3. 以每加仑柴油当量行驶的英里数为单位，展示当前和未来8类长途牵引拖车卡车的燃油经济性

4. 不同技术效率变化：

• 不同技术的峰值效率不一定在相同的操作条件下实现，FCEVs 在低负载时更高效，为了最大化效率，燃料细胞通常需要过大尺寸，因此在较小、低功率应用中表现更好。而发动机在高负载时更高效，这促使柴油车辆或氢 ICEVs 进行发动机小型化。例如，对于 ICEVs 来说，最有效的运行模式是缩小发动机尺寸并使其更努力工作。氢 ICEs 最适合非常大的车辆、建筑机械或农业应用。从功率输出角度看，随着功率输出增加到 100%，燃料电池和氢 ICE 之间的效率差距减小，在某些高功率应用中，如挖掘机（大多数时间在接近 100% 负载下运行），它们的效率甚至可能交叉或氢 ICE 可能具有更好的效率。

• 类似地，从车辆效率角度看，在高负载下，氢 ICEVs 可能比 FCEVs 具有略好的效率性能。

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                              表2. 研究中关于车辆购置成本的总结

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6. 未来效率提升与储罐尺寸变化：

• 对于 Class 8 长续航牵引拖车卡车，预计到 2035 年，柴油、氢 ICE 和 FCEV 的峰值效率都将提高，分别达到 55%、50% 和 67%，同时氢存储罐的尺寸也会减小，氢 ICE 的氢罐大小将从 76kg 降至 52kg，FCEV 的氢罐大小将从 62kg 降至 40kg。

7. 燃油经济性：目前，柴油卡车的燃油经济性为 6.8 英里 / 加仑（mpg），燃料电池为 7.4 mpg，氢发动机为 6.0 mpg。一些 FCEV 在燃油经济性方面的优势是由于混合动力系统，同样，混合动力的氢 ICEVs 也可能提高燃油经济性，但复杂性使得氢 ICE 混合动力是否是一个有前途的选择存在高度不确定性。

 图4. 柴油、电池电动、燃料电池和氢内燃机卡车的8级长途牵引拖车零售价格演变

四、氢燃料纯度

表3. 研究中关于总拥有成本（TCO）的总结

1. 纯度要求差异：氢发动机对低纯度氢的耐受性比燃料电池高，根据国际标准，燃料电池的氢纯度限制为 99.97%，非氢气体低于 0.03%，而氢发动机的氢纯度限制为 98%，非氢气体低于 2%。

2. 对成本的影响：较低纯度的氢燃料可能生产成本和运输成本更低，从而可能降低燃料成本，但目前文献中没有关于潜在氢价格或总拥有成本（TCO）差异的具体估计。

3. 供应系统限制：满足较低纯度标准的氢供应系统将无法为 FCEVs 提供认证的氢，因此决定系统的纯度水平也是决定是将系统限制在 ICEVs 使用，还是采用更高的纯度标准以允许 FCEVs 运行。

五、排放

1. 零排放车辆定义：零排放车辆（ZEVs）定义为没有尾气排放空气污染物或温室气体的车辆，包括 ZEVs 在内的所有车辆都会产生排放，例如 ZEVs 会因轮胎磨损、刹车磨损产生颗粒物排放，空调单元可能导致温室气体排放。在美国，当前的 ZEV 技术包括 BEVs 和氢 FCEVs。

2. 氢 ICEVs 的排放情况：

• 氢 ICEVs 燃烧氢不是零排放过程，其主要污染物排放是 NOx，但通过后处理（如使用柴油动力总成中的柴油氧化催化剂（DOC）、选择性催化还原（SCR）等）可以将 NOx 减少到接近零。与典型柴油发动机相比，氢 ICEs 的原始 NOx 排放已经降低了约 10 倍，实际上，氢 ICEs 可以满足当前的 EURO6 法规而无需后处理。

• 氢 ICEVs 的碳足迹很低，但不是零碳尾管排放技术，其 CO2 来源包括润滑油消耗（通常为柴油卡车中柴油消耗的 0.05%）、尿素（CH4N2O）中用于 SCR 的碳含量以及燃料中的碳化合物（例如，<100 ppm CH4）。一些文献将氢 ICEs 称为尾管零碳排放技术是不正确的，但运行氢 ICEVs 会导致非常低的碳排放，有助于实现碳中和。

• 氢 ICEVs 会像传统汽油或柴油车辆一样排放多种污染物，这主要是由于一小部分润滑剂可能进入燃烧室并燃烧，废气中可能含有一些润滑油及其燃烧产物，通常会发现非常少量的 CO、CO2、HC 和 PM。此外，氢 ICEVs 还会排放微量 N2O，N2O 主要在排气后处理系统中形成，如氢与 NO 在贵金属催化剂上的反应、NH3 在 SCR 中的氧化等过程，还会存在 NH3 泄漏通过催化剂的情况。

• 氢 ICEVs 的排气中还存在 H2 泄漏问题，由于 H2 分子非常小，能够通过许多固体材料泄漏到空气中，并且氢进入金属晶格会导致疲劳，称为氢脆。逃逸的氢气与空气混合在高浓度下可能具有爆炸性。但关于车辆中氢 ICEs 和燃料电池的 H2 泄漏情况在文献中报道较少，整个氢供应系统的泄漏可能在几个百分点到 10% 之间，但这通常与车辆传动系统类型无关。

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图 5. 2022 年和 2030 年卡车车型在加利福尼亚州，不同卡车技术的 8 级长途牵引拖车的总拥有成本

六、车辆属性

1. 康明斯氢发动机卡车示例：康明斯展示了一款由氢发动机驱动的中型卡车，氢发动机功率为 290 马力（216 千瓦），与同等柴油发动机相似。该卡车使用常规柴油传动系统部件，带来熟悉的部件和技术优势。氢存储系统包括 700 巴压力的高容量储罐，由碳纤维增强，续航里程为 310 英里，可在 10 分钟内完成加氢。康明斯的双氢燃料罐总容量约为 40 千克，底盘上还有额外空间容纳辅助的 10 千克罐。

2. 沃尔沃氢 ICE 卡车计划：沃尔沃正在开发氢 ICE 卡车并计划在 2030 年商业化，其氢发动机将采用高压直接喷射（HPDI）技术，在注入氢之前先注入少量点火燃料以实现压缩点火，该技术具有高能量效率和增加的发动机功率，氢 ICE 技术的耐久性最终将与当前柴油发动机相当。

3. 氢发动机设计特点：为了获得相同的功率输出，氢发动机通常比汽油发动机更大，或配备涡轮增压器或增压器。

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                        图6. 采矿应用中越野自卸卡车的总拥有成本比较

七、货物载重和容量损失

1. 共同问题：燃料电池和氢发动机都需要在车载上安装大型氢存储罐，这导致与柴油卡车相比，它们在货物载重和容量方面都会受到损失。

2. FCEVs 与氢 ICEVs 对比：目前没有文献明确区分氢 ICEVs 和 FCEVs 在载重和容量损失方面的差异，但 FCEVs 在载重和容量方面的损失往往比氢 ICEVs 小，因为 FCEVs 预计具有更高的燃油经济性或效率，所以它们所需的氢罐尺寸更小，如表 1 和图 3 所示。

3. 电池与氢的影响：电池和氢都会对货物载重和容量造成影响，对于电动汽车来说更为明显，因为电池重量较大。例如，特斯拉交付给百事可乐的首款 Class 8 电动卡车，声称一次充电可行驶 500 英里（805 公里），其电池为 1 MWh，电池组能量密度为 170 Wh/kg 时，对于 600 英里的续航里程，电池组需要存储约 1200 kWh，重量为 6300 千克，体积为 2700 升。

4. 燃料选择限制：特别受货物载重或容量限制的车辆可能更倾向于使用能量密度更高的液体燃料，如柴油、生物燃料或液态氢。

八、车辆成本

1. 理论与现实成本对比：从理论上讲，在大规模生产的非常长远情况下，氢 ICEVs 的资本成本可能与柴油卡车大致相同，甚至如果较低的排气处理要求能够抵消车载氢罐和其他方面的附加成本，可能比柴油卡车更便宜。然而，这是一个非常乐观且不太可能的场景，几乎所有现有研究都预计氢 ICEVs 的成本会高于柴油卡车。

2. 与燃料电池成本对比：与燃料电池相比，氢 ICEs 目前具有较低的前期成本，到 2030 年，随着技术进步和生产规模的扩大，燃料电池的前期成本可能与氢 ICEs 相当。

3. 具体研究成本数据：有限的研究涉及氢 ICEV 成本，如表 2 所示，目前氢 ICE 卡车的零售价格或制造成本比柴油卡车高 1.4 - 1.7 倍，预计到 2030 年将降至约 1.3 倍，届时氢 ICEVs 和 FCEVs 可能达到购买价格平价。但从 ICCT 预测的零售价格演变图（图 4）来看，到 2040 年氢 ICEVs 仍无法与柴油达到价格平价。

九、总拥有成本（TCO）

1. 一般情况：一般来说，燃料电池在道路运输方面具有 TCO 优势，因为其效率优势起着重要作用。

2. 具体研究数据：如表 3 所示，两项研究总结的 TCO 表明，到 2030 年，FCEVs 将比氢 ICEVs 具有更好的 TCO，这取决于车辆技术、价格假设以及燃料价格假设。例如，ICCT 研究估计了美国不同卡车技术的 TCO，在加利福尼亚州，2022 年和 2030 年不同卡车技术的 TCO 如图 5 所示，2022 年柴油的 TCO 为$2.78 /英里，电池电动为$3.53 / 英里，氢燃料电池为$2.50 /英里，氢ICE为$2.40 / 英里；2030 年柴油的 TCO 为$2.06 /英里，电池电动为$1.91 / 英里，氢燃料电池为$1.90 /英里，氢ICE为$2.40 / 英里。对于越野自卸卡车等应用，从长远来看，氢 ICEs 的 TCO 可能会略好于燃料电池，但结果严重依赖于成本建模假设，如图 6 所示，预计氢和柴油内燃机自卸卡车的拥有成本在 2030 年左右达到平衡。

十、氢发动机和燃料电池的其他差异

1. 运行特点：燃料电池运行安静，因为它们的移动部件较少；而氢发动机在振动或多尘环境中更稳健，例如在建筑或农业应用中，燃料电池对振动和灰尘敏感。

2. 材料需求：燃料电池需要更多的贵金属，如铂；而氢发动机在这方面需求较少。

3. 冷却需求：燃料电池的冷却需求高，这对于静止和缓慢移动的应用至关重要；而氢发动机在这方面的要求相对较低。

4. 启动性能：发动机（包括氢发动机）在寒冷天气应用中易于启动；而燃料电池在寒冷天气下的性能可能会受到一定影响。

十一、氢发动机和燃料电池的关系

1. 互补与冲突：氢发动机和燃料电池是两种互补技术，它们存在并发展于同一个氢生态系统中，但在投资和市场方面可能存在冲突。

2. 共同挑战：两者都面临着氢经济的主要挑战，如缺乏加氢基础设施和车载氢存储的发展。如果原始设备制造商（OEMs）和储罐供应商能够有机会通过更多数量的车辆（包括氢 ICEVs 和 FCEVs）来分摊研发和资本支出，这将有助于降低所有氢车辆的成本曲线，并支持两种解决方案的竞争力。

3. 互补案例：在某些情况下，如寒冷天气应用中，燃料电池可能不是可行的解决方案，此时氢 ICEs 可以被使用。此外，在建筑或农业等应用中，氢发动机在振动或多尘环境中的稳健性使其可能发挥作用，而燃料电池在这些环境中并不理想。

4. 技术与碳中和目标：在应对气候变化、实现碳中和目标方面，需要各种有效的技术措施。氢发动机、燃料电池、电池甚至其他技术都可以为实现碳中和的综合方法做出贡献。单一技术场景可能暗示整体脱碳的潜在延迟，并且风险更高。

5. 市场竞争与不确定性：然而，在 “混合” 场景中，某些技术的采用可能会竞争并减缓其他技术的发展；氢 ICEs 的成功可能意味着 FCEVs 的采用延迟或失败，因为在一定的投资额度下，资源会有所分配。FCEVs 被认为是 ZEVs，但在美国氢 ICEVs 不是 ZEVs。支持氢 ICEs 的政策是否会削弱推广 FCEVs 作为交通电气化方法的努力，目前尚无明确答案。此外，市场对氢发动机的接受程度是否能达到足够水平以产生重大影响非常不确定。例如，使用生物甲烷的压缩天然气（CNG）卡车在技术上成熟，具有巨大的温室气体减排效益（特别是从全燃料循环角度来看），并且前期成本低，但实际上 CNG 卡车在美国从未获得显著的市场成功。

十二、行业行动

1. 日本汽车制造商的挑战：2021 年 11 月，包括丰田在内的五家日本汽车制造商共同宣布，他们将通过使用 ICEs 来扩大燃料选择，以实现碳中和，他们认为社会需要多样化的解决方案来实现碳中和，而敌人不是 ICEs。

2. 其他相关企业的兴趣：最近，许多车辆制造商和供应商对氢发动机表示出兴趣，包括但不限于康明斯（发动机和发电产品制造商）、戴姆勒（商用车制造商）、沃尔沃（商用车制造商）、博世（车辆供应商）、马 勒（零部件制造商）、JCB（英国建筑、农业、废物处理和拆除重型设备制造商）、Westport Fuel Systems（先进燃料输送部件和系统供应商）、DAF Trucks N.V.（欧洲商用车制造商）和丰田（汽车制造商）。

3. 行业推动政策的努力：氢发动机在全球获得了新的发展动力，行业一直在推动有利的政策，例如欧盟在 2023 年待批准的监管变更将使用氢发动机的重型卡车分类为零排放车辆，该监管变更于 2024 年获得批准。

十三、政策

1. 美国政策：

• 2024 年 4 月，美国 EPA 发布的重型车辆温室气体排放标准包括对氢 ICEs 在减少 CO2 排放方面的认可。新标准中的 ZEVs 仍然指的是导致零尾管排放的技术，例如 BEVs 和 FCEVs，这些技术不需要昂贵的测试和认证。显然，氢 ICEVs 不包括在 ZEVs 中，因为它们会排放某些标准污染物，并且尾管处可能也有可忽略但非零的 CO2 排放。对于制造商来说，为了符合发动机 CO2 尾气排放标准，如果使用发动机测试默认的 CO2 排放值（3 g/hp - hr），EPA 允许不对氢 ICEs 进行 CO2 排放测试，尽管制造商也可以进行测试以证明其发动机的 CO2 排放低于 3 g/hp - hr。这种宽松政策可能会减少制造商的发动机测试和认证负担。需要注意的是，即使氢发动机使用纯氢燃料，也需要进行 NOx 和 PM 排放测试。

• 在加利福尼亚州，Advanced Clean Trucks（ACT）规定从 2024 年车型年开始，中型和重型制造商生产和销售的 ZEVs 比例逐渐增加，到 2035 年车型年结束时达到一定比例。此外，Advanced Clean Fleets（ACF）规定车队要逐步使用 ZEVs，制造商从 2036 年车型年开始在加利福尼亚州实现 100% 的中型和重型 ZEV 销售，该政策适用于所有 Class 2b - 8 车辆。ZEV 的定义在 ACT、ACF 和拟议的 2024 年 ACT 规则中是相同的，即在任何可能的运行模式或条件下，产生零尾气排放任何标准污染物（或前体污染物）或温室气体的车辆。与美国 EPA 的政策方法不同，截至 2024 年 6 月，鉴于氢 ICE 卡车的尾管排放污染物，加利福尼亚州尚未表明将氢 ICEVs 视为 ZEV，因此氢 ICE 卡车不太可能在该州具有竞争力，因为它们将没有资格获得与 ZEV 相关的激励措施，并且最终将根据 2036 年 ICE 销售淘汰目标被禁止。

2. 欧盟政策：2024 年 5 月，欧盟批准并加强了重型车辆的 CO2 排放标准，同时调整了车辆制造商遵守标准的灵活性。在欧洲市场上，“零排放重型车辆” 可以指没有内燃机的重型机动车辆，或者对于卡车，内燃机排放不超过 3 gCO2/tkm，对于公共汽车和长途客车，排放不超过 1 gCO2/pkm 的车辆。例如，如果氢重型 ICE 卡车的 CO2 排放量不超过 3 gCO2/tkm 阈值，它们可以被分类为 ZEVs。因此，目前欧洲的零排放重型车辆包括 BEVs、FCEVs 和其他氢动力车辆，并且技术创新仍在继续。

   
   

3. 结论：

1. 与 FCEVs 相比，氢 ICEVs 通常整体效率较低，燃油经济性较低，但在某些情况下（如高负载运行的挖掘机）可能与 FCEVs 相当或更优。

2. 氢 ICEVs 在老化过程中可能表现更好（可靠性更高，性能下降更少）。

3. 至少到 2030 年，氢 ICEVs 可能具有购买成本优势。

4. 由于效率较低，氢 ICEVs 在道路应用方面可能具有 TCO 劣势，可能需要更大的氢存储以达到与 FCEVs 相同的里程。

5. 氢 ICEVs 可以使用低纯度氢燃料，这可能意味着更低的燃料价格和潜在的燃料成本降低，但燃料价格效应的潜在幅度尚不清楚。

6. 氢 ICEVs 排放大量 NOx，因此在美国不是 ZEVs，在加利福尼亚州和采用加利福尼亚州规则的州，这可能使其不符合 ZEV 要求。相比之下，FCEVs 通常被国际上认为是 ZEVs。氢 ICEVs 通过适当的排放控制系统可以实现非常低或接近零的 NOx 水平，但不清楚这是否会改变其在加利福尼亚州的地位，但这应该使其在其他地方被视为接近零排放车辆。