燃料电池和内燃机对比研究

袁 飞 施 扬 顾凯凯

（1、浙江中山化工集团股份有限公司上海分公司，上海200333 2、上汽商用车技术中心，上海200000 3、浙江高成绿能科技有限公司，浙江 长兴313100）

燃料电池技术发展几起几落，2014～2015 年在纯电动汽车补贴退坡确立而燃料电池汽车补贴不退反增与丰田燃料电池汽车Mirai 强势发布的共同影响下，燃料电池在国内开始了爆发式发展。在大势向好的背景下各行各业纷纷向氢能和燃料电池靠拢，热点层出不穷，乱象时有发生。为了理清思路，开展有价值工作，有必要通过类比对燃料电池进行剖析，而类比参考目标最佳选择是内燃机。又因燃料电池类别和潜在应用场景较多，而内燃机的种类和实际应用也很广泛，故文章范围主要聚焦于车载质子交换膜燃料电池与车用汽油发动机。

燃料电池是氢能源应用发展的重要载体，如同内燃机是汽、柴油应用的重要载体一样，在对燃料电池和内燃机进行分析的同时有必要对它们使用的燃料进行分析。本研究重点在陈述具体现象或情况，所涉及对未来可能性描述是基于可再生能源成为全球主要能源的假设，但未来能源体系的演变涉及的因素太多，通过本研究亦可能存在预判不足。

1 基础对比研究

1.1 反应机理

内燃机本质是通过燃烧的方式将燃料的化学能转化为内能，最终通过热传导（吸热、放热、温度变化）和做功（扭矩变化、转速变化）对外体现出来，通俗的说就是热能转化为机械能。因此燃烧是内燃机实现能量转化的必要条件，燃料燃烧过程是内燃机研究最重要的领域。燃烧三要素包括可燃物、助燃剂、火源，在内燃机中分别对应汽油、空气、火花塞。燃烧也是一种氧化还原反应，其中汽油燃烧的过程相当复杂，但化学反应式可简易表述为：

其中x 和y 分别代表CO2和CO 的系数，反应生成物中CO2和CO 的多少。若汽油燃烧完全度低，那么CO 较高，反之则CO2较高[1]。汽油中含硫，反应后有SO2的产生。内燃机排气温度搞到700～800℃，造成NOx 产生，这是内燃机最主要的有害排放物。从上述汽油反应原理描述可以做出如下推断：（1）汽油燃烧带来CO2排放；（2）汽油燃烧带来有害物产生。燃料电池本质是通过电化学方式将燃料的化学能转化为电能，最终通过热传导（吸热、放热、温度变化）和电力变换（斩波、逆变）对外体现出来。若要获得机械能则还需要借助驱动电机进行电- 机的能量转化，能量转化形式也是两次。电化学是燃料电池实现能量转化的必要条件，电化学过程是燃料电池研究最重要领域。电化学反应的基本条件是阳电极、阴电极、电解液，在燃料电池中分别对应氢气、空气、质子膜。燃料电池的化学反应式可表述为：

上述反应为主反应，副反应会有H2O2产生，其强氧化作用对燃料电池整体性能不利，因此如何减少甚至消除H2O2是燃料电池研究热点之一。燃料电池电化学过程对湿度有明显要求。从上述对氢氧电化学反应原理描述可以做出如下推断：

（1）氢氧电化学反应没有污染；

（2）水管理是燃料电池反应的重点研究领域。

1.2 系统效率

在反应机理对比的同时必然涉及效率对比。效率对任何有源设备而言始终是重要技术指标，尤其在今天环境保护和经济建设双重要求的交织下，提高系统效率是最好的平衡术。

内燃机最主要的效率表征是热效率，定义为单位时间内有效功率的热当量与燃料所含热量的比值。目前大多数汽油发动机热效率在28%～33%之间，柴油发动机热效率较汽油机高30%左右，大概在36%～42%。有效功率又叫轴功率，指内燃机输出轴的净功率。目前已知晓的热效率最高的内燃机是马自达SKYACTIV-X 汽油发动机，热效率最高达到51%。2010 年美国汽车研究委员会（USCAR）学术会议提出“关于车用内燃机效率的总结报告”，结论是活塞式内燃机最大有效热效率不考虑摩擦损失可达60%。有专家建议我国也应积极参与内燃机热效率极限的研究[2]。内燃机有许多提高热效率的先进技术，比如汽油压燃着火（GCI）、均质充量压燃（HCCI）、双燃料低温预混合燃烧（RCCI）等燃烧技术，或者可变界面涡轮增压（VGT）、电动增压（eBooster）等增压技术，又或智能停缸、工质移缸、缸内喷水等[3]。

燃料电池的效率主要有理论效率和实际效率。理论效率也叫燃料电池可逆热力学效率，是单位燃料的吉布斯自由能与燃料所含热量的比值，在室温室压下的氢- 氧燃料电池可逆热力学效率能够达到83%[4]。实际效率显然比可逆热力学效率低，主要原因是燃料电池反应过程存在电压损耗和燃料利用损耗，因此实际效率应该等于可逆热力学效率与电压效率、燃料利用率的乘积。通常而言氢- 氧燃料电池的实际效率在50%～60%。但这仅仅是指燃料电池电堆的效率，未涉及系统，更未涉及驱动电机。对比内燃机的输出轴净功率，燃料电池应该将系统和驱动电机囊括进行计算。按照目前中国国内技术现状，一台额定60kW 级的燃料电池系统对应电堆功率在75kW 左右，电驱动系统（含驱动电机和控制器）的综合效率在90%左右，因此燃料电池从氢气到驱动电机输出轴的实际效率在36%～43%。这个数值和内燃机相比并没有很大的优势，这主要是国内的情况。目前了解最高效率的燃料电池系统是德国尤利希研究中心（ForschungszentrumJülich）2019 年发布的燃料电池系统，最高效率达到62%，该效率指的是发电效率，若能够用于车载的效率大概在56%左右；不过该燃料电池系统是固态氧化物（SOFC）体系，并非车载常用的质子交换膜（PEMFC）体系，且单堆功率较小，只有5kW。再往下是现代2019 年发布的NEXO 车型上的燃料电池系统，系统效率达到60%[5]，通过驱动电机到输出轴的效率在54%，的确比普通的内燃机效率高很多，目前在国内尚做不到。继续提高效率是燃料电池发展的必然趋势，而与之相关的关键技术主要有大幅提高反应过程的质子迁移数、提高反应温度和阴、阳极气体压力[6]、降低以空压机为主的辅助器件功耗、优化电力电子能量管理路劲等。

1.3 燃料的全生命周期

目前车用燃料多元化趋势比较明显，不再仅仅是以前的汽油和柴油，纯电、油电、插电、天然气、乙醇汽油、甲醇、氢气等燃料虽然数量依然有限，但在不同的场景均有应用。把这些燃料从原料获取、燃料制备、运输、储存、加注、使用整个过程进行梳理，得到不同燃料的能耗、排放信息，通过这些信息可以了解它们在全生命周期中的实际情况，为车用燃料演变趋势提供素材。

燃料全生命周期（WTW：wellto wheels） 分 为 WTT（wheelstotank）和TTW（tanktowheels）。先看能耗，按照有关机构研究，得到如下数据[7]：

从表1 可以看出，1 兆焦不同燃料从获取到油箱阶段需要的能耗数值。其中电力和氢气主要是将一次能源通过燃烧或者重整汽化转化为二次能源，因此该阶段能耗较高。目前中国电力有76%通过燃煤发电，可再生能源发电比例不断提高能够减少电力在WTT 阶段能耗量。另外氢气主要考虑通过天然气重整或煤气化来获取，若将部分工业废气提纯因素进行考虑将降低氢气在该阶段的其能耗指标。

表2 TTW 阶段各类燃料能耗表 单位：千焦/千米

从表2 可以看出，汽车行驶1 千米不同燃料所提供的能量。很明显，电力效率最高，这与电能直接转换为机械能，过程仅进行了一次能量转化关系密切。汽油、柴油、天然气都是化学能转化为热能，然后再转化为机械能；氢气是化学能转化电能，然后再转化为机械能，都是两次能量转化。从数据中也可以看出，虽然有达到50%效率的内燃机出现，但内燃机整体效率比燃料电池整体效率偏低。

在统一计算依据后对上述燃料进行全生命周期统计入图可知晓电力能耗最少，其次是氢气，其它燃料能耗较高。详见图1。

图1 各类燃料全生命周期能耗图

再看排放。在WTT 阶段，主要通过一次能源燃烧或重整汽化的电力和氢气排放必然远高于通过从一次能源提炼而来化石燃料。其中电力由于中国发电结构的原因使得该阶段排放是最高的。但在TTW 阶段，电力和氢气均属于零排放，而化石燃料在该阶段的排放较高。综合多项排放物合并两个阶段数据得到相关燃料在全生命周期的排放情况如图。由图可以看出电力的排放太大，这也是纯电动车备受环保诟病的重要原因。另外，综合看氢气的排放少于化石燃料。

图2 各类燃料全生命周期排放图

表1 WTT 阶段各类燃料能耗表 单位：千焦/兆焦

从上述描述得到如下结论：

（1）从全生命周期而言，氢气比以汽油为代表的化石燃料在能耗和排放上都有优势。

（2）可再生能源使用比例加大会进一步扩大氢气的应用优势。

2 应用对比研究

燃料电池是燃料在膜电极两侧进行电化学反应，遵循电极上电子运动基本规律，属于原电池范畴。内燃机是燃料在缸体内燃烧，遵循卡诺循环原理，属于典型的热机范畴。燃料电池在固定式和便携式领域常被称为“燃料电池发电机”或“燃料电池电源”，在交通领域常被称为“燃料电池发动机”或“燃料电池增程器”，除了原理和燃料区别外其在应用中与内燃机也有许多不同点。

排放。燃料电池污染要分具体情况：（1）单纯考虑氢气通过电化学发电的反应过程是没有污染。（2）氢气若来源于可再生能源发电后水电解制氢，过程是清洁的。（3）氢气来源于工业废气，比如氯碱副产氢或焦炉煤气提纯，只要过程中对其他废气进行统一处理，那么提纯的氢气也相对清洁。（4）氢气来源于化石能源，无论是水煤气裂解还是甲醇重整都不可能完全清洁，只是将发电端的“零排放”应该承担的污染放到了燃料制备端。就短中期来看，化石能源制氢是必选项，且占比很高，现有燃料电池和真正的清洁能源还有较大距离。内燃机污染无法避免，但可以通过技术手段降低污染，手段主要有干预燃烧过程减少污染物生成，并通过催化进一步降低已生成的污染物。内燃机最重要的污染物是NOx。

能源转换形式。燃料电池是将化学能转化成电能和热能。其中电能占大约1/2，可以储存到储能体中，也可以通过驱动电机转化为机械能。另外的1/2 为热能，大部分通过冷却介质对流带走。内燃机是将化学能首先转化为内能，内能再转化为热能和机械能。其中机械能以系统对外做功体现，大约占内能的1/3，大部分为有用功转化到轮上；剩下的内能将转化为产生热能，1/3 经过排气系统排走，1/3 通过内燃机的壳体散掉。从能源转化形式可以明显看出，传统定义范畴中的燃料电池对比内燃机少了电能转化为机械能的部分，即驱动电机。若将燃料电池电堆部分看成内燃机气缸，那么在燃料电池以外的驱动电机可以看成内燃机的曲轴。仅从集成度来看，燃料电池与电机的集成难度远远高于气缸与曲轴的集成，若再考虑系统中的DC，集成性更不乐观。

应用场景对能源的需求。燃料电池在交通领域，电能还不能直接驱动车辆，必须通过斩波，再利用驱动电机实现电能到机械能转化，与内燃机一样也转化了两次。内燃机在交通领域最终提供了机械动力，这是主线。但随着车联网、智能驾驶的兴起，车辆电动化（不仅仅是驱动力电动化）趋势越发明显，机械能再次转化为电能无疑是一种浪费。目前的情况是燃料电池发电在交通领域似乎不足以挑战内燃机应用，但内燃机却受到来自车辆电动化的巨大挑战，而燃料电池又是车辆电动化的方案之一。在发电领域，燃料电池仅需要转化一次。假若氢气在未来某个时点的管控形式从危化品转为能源品，那么必然对内燃机发电领域带来巨大的冲击。另外内燃机发电在排放和转化效率上都没有优势。

系统集成度和性能指标。内燃机发展上百年，整体集成技术已经极其完善，进行深度挖掘难度很大。燃料电池的集成还有大量工作需要做，无论是Clarity，还是NEXO，都能发现一个明显的现象-- 燃料电池系统集成度越来越高，但集成的轨迹与内燃机几乎完全重合，这点在乘用车上尤其明显，借助传统内燃机集成技术来发展燃料电池是必选项。比如2019 年奔驰发布了GLC 燃料电池版，其燃料电池系统也如上述进行了高度集成，而空气增压采用了燃料电池空气废气与电涡轮同时增压的技术，明显借鉴于内燃机。

功率密度是系统集成度最重要指标，但内燃机和燃料电池在理解上有比较大的区别。升功率是内燃机重要指标，是指功率与气缸有效体积之比，但该指标不适合用于燃料电池。燃料电池中描述电堆经常用功率/体积较多，主要是因为电堆形状规则；而描述燃料电池系统经常用功率/重量较多，主要是系统集成度较低导致体积难以表述。燃料电池电堆目前国内水平在2kW/L 左右，国外在3.1kW/L 以上。内燃机中的气缸应该对应燃料电池电堆，这个指标也不太适合内燃机气缸。燃料电池系统目前国内水平在150～300W/ Kg 和200W/L 左右，由于系统组成定义没有标准，因此参考价值不大。现有内燃机功率密度指标在500W/L 和500W/kg 左右，燃料电池差距还很大。

响应时间。内燃机动态响应较快，燃烧升温迅速。燃料电池动态响应较慢，特别冷态情况下必须等待冷却介质温度升高以后才能大功率放电。表3 是国内某公司55kW 燃料电池系统动态响应时间[8]，可以看到燃料电池在冷态情况下的动态特性极差，这与其反应温度较低、质子膜抗冲击能力不足都有关系。

表3 燃料电池系统动态响应时间

动态特性不足导致燃料电池在应用存在缺陷，目前主流的方案是用锂动力电池的高动态特性弥补燃料电池短板。锂动力电池容量约小说明燃料电池动态特性越好，比如丰田Mirai 中的锂动力电池只有1.6Kwh。业内有一种观点认为燃料电池系统直接提供给车辆驱动的功率达不到50%就不应称为发动机。未来燃料电池在动态响应方面必须要有实质性进展，而前进的目标就是内燃机。

燃料和燃料控制方式。车载燃料电池的燃料基本都是氢气，是以气态的形式存储在高压氢气罐中。内燃机的燃料通常是液态为主，也存在高压气体的形式，比如天然气、氢气内燃机等。内燃机最典型的燃料控制方式有管道喷射和缸内直喷，也有两种喷射方式同时存在的情况。燃料电池无论是比例阀开度控制，还是喷氢阀组件频率控制形式都属于堆外操作，可视为管道操作，尚未有氢气在电堆内部操作的控制方式。另外燃料电池中的氢气自带高压，不需启动压力。内燃机燃料主要是液态常压，需要燃油泵对燃料进行输送，也需要高压油泵给喷油嘴提供动力。

噪声。燃料电池的噪声比较小，除了与气体操作有关的声音外几乎没有其他声音，因此其隐蔽性好，对环境也更友好。内燃机的噪声相对大一点，其空气系统因压缩、排气产生的声音与燃料电池类似，另外还有燃料在气缸内燃烧的声音。另外活塞磨损和积碳都会造成内燃机噪声增大，有时甚至会因为爆震造成极大的噪声，而减少爆震几率是内燃机控制的重要任务之一。

系统构型。内燃机的空气系统与燃料电池相似度最大，空滤、空压机、背压阀、空气流量计等双方都有涉及。不同点在于内燃机的空压机一般是机械增压或者废气增压，会有一定的迟滞，而燃料电池系统的空压机是电动增压。随着车辆电气化铺开，采用电动增压的内燃机也逐渐增加。自增湿技术一直是燃料电池研究的热点，但目前大多数燃料电池系统在空气侧都加装了外增湿器，这是在内燃机中没有的零部件。在燃料侧，油箱压力不高，但喷油压力很高，最高可达100Mpa 以上，其压力来源于高压油泵和喷嘴；而燃料电池系统中的高压供氢最高工作压力为70Mpa（国内35Mpa），电堆进口的氢气压力一般都小于0.2Mpa。内燃机燃料的消耗很快速，未燃尽的燃料是无法回收的，会拉低系统效能且给环保带来压力，需要对燃油进行精准控制。燃料电池中的氢气一般设置过量，未反应的可以通过循环的方式再次利用。另外，内燃机没有DC，冷却介质对电导率没有要求，尾排因为污染物需加设三元催化处理，这些都是与燃料电池明显的构型区别。最后，内燃机一般都设置有碳罐，用于将挥发的燃料导入到燃烧室燃烧，防止挥发物释放到大气中，而氢燃料电池则没有这样的装置。

3 典型产品对比研究

通过典型燃料电池和内燃机产品介绍能够了解目前全球范围内相关领域最新的技术状态，再以此为基础对相关产品进行对比寻找更有价值信息。

3.1 两款燃料电池系统介绍

本田汽车公司于 2016 年推出的 Clarity fuel cell powertrain。该产品系统功率推算在80～85kW 左右（电堆峰值功率103kW），相当于小型轿车发动机的输出功率。主要技术特征如下：（1） 媲美传统内燃机的系统集成度。Clarity fuel cell powertrain 将燃料电池系统的重要零部件集成为一个整体，拥有与V6 发动机相近尺寸，见图3[9]。这是量产版燃料电池系统第一次在空间和器件布局上达到传统内燃机的集成要求，体现了两个信息：第一，燃料电池系统的集成方向是由内燃机牵引，特别在乘用车领域。第二，燃料电池系统性能指标离内燃机差距较大。3.5L V6 汽车发动机峰值功率大致在210kW 左右，燃料电池系统在相同体积下与传统汽车内燃机还有2.4 倍的功率/体积差距。需要将国际主流3.1kW/L 的电堆功率密度提升到7.4kW/L，系统功率密度从225W/L 提升到500W/L。

图3 Clarity fuel cell powertrain与3.5L V6 汽车发动机体积对比

（2）改变单电池结构定义。以往单电池组成为：1 片阴极流道板+1 片MEA+1 片阳极流道板，阴极流道板与下一个单电池的阳极流道板通过粘接方式形成冷却液流道。Clarity fuel cell powertrain 中单电池组成为：1 片阴极流道板+1 片MEA+1 片共用流道板+1 片MEA+1 片阳极流道板+1 冷却流道，但冷却液流道在两边都有，每个冷却流道要同时对两边的单电池服务[10]。现有方案相当于传统方案的两个单体，但却节省了1 个流道板和1 个由阴阳流道板组成的冷却液流道。（3）基于SiC 技术的燃料电池升压器。极大减小元器件尺寸，提升了效率，更高的抗高温能力降低了热管理门槛。

现代在2019 年推出了配置在NEXO 上的燃料电池系统。该产品电堆功率为95kW，由440 片单体组成，其集成方式与Clarity fuel cell powertrain 几乎一样，但却在诸多方面超越了Mirai 和Clarity[11]。该产品自身主要特点有：（1）第一次将不锈钢双极板用于量产燃料电池车型上，这种不锈钢材料是一种超薄铁素体（FSS）材料，耐腐蚀能力极强。该双极板在工艺上采用了0.075 和0.1mm 两种薄板，通过双阶段冲压技术形成了微通道3D 流道，其中第一次成型为中间过程，基于该过程形成的物理量进行第二次成型，第二次成型能够将局部材料薄化到极致，大大增加微通道比表面积[12]。成型后的双极板不需要经过特殊的镀层或防腐处理，极大提高了效率。（2）第一次将四通阀用在了汽车上，通过四通阀和节温器构成了不同的冷却液热管理路径，即解决了汽车-30℃冷启动的问题，也为乘客舱快速升温提供了保证。为了达到上述目的，整个系统设置了3 个加热器。（3）该款燃料电池系统还将加湿器与中冷器进行了一体化设计，提高了系统集成度。（4）在阴、阳两端加设气体截止装置防止超压，强化了系统的安全性。

3.2 两款汽油发动机介绍

Dynamic Force Engine 是丰田汽车公司于2017 年搭载在第八代凯美瑞汽车上的自然吸气发动机，其中汽油版热效率达到40%。该款发动机没有任何新技术的突破，但进行了大量的技术优化，这些优化主要体现在：（1）D-4S 双喷射系统，即在车辆低负荷采用歧管喷射，在高负荷采用缸内直喷。该项技术的实质是气道喷射（PFI：port fuel injection）和缸内直喷（GDI：gasoline direct injection）两项技术的集成[13]，取得了节油和排放的均衡。（2）进、排口角度从31°增加到41°，且将气道由弯道改为直道，使用激光熔膜工艺制造进气门座，减少阻力，气流更加顺畅，提升了效率。在进气道的末端，将原先圆滑过渡的弧形改为一个类似滑道的突起形状，保证了气流在进入气缸后的集中度，结合更高的进气流速产生的涡流更加明显，油气混合更均匀，图4 中的蓝色细丝线表示涡流强度[14]。（3）采用了镜面加工的活塞面能有效减少摩擦力，提高了冲程效率。（4）减小缸径尺寸，增加冲程高度，使压缩比提高到13：1，带来了更佳燃烧效率。具体表现为油气混合物在燃烧的过程中能更加快速的充满燃烧室，获取更快速的燃烧时间。（5）进气侧VVT-iE 智能可变气门正时电子控制系统。提高可变气门正时控制的速率和范围，使发动机从低负荷到高负荷均能接受更为合理的进气量。

图4 气道优化后的涡流效果

SKYACTIV-X 是马自达汽车公司预计于2020 年初上市销售的一款自然吸气式汽油发动机，热效率高达51%。该款发动机首次引入了HCCI（Homogeneous Charge Compression Ignition）技术，其主要技术特点有：（1）HCCI 技术，俗称均质充量压燃。该技术是以稀薄燃烧为基础，加大空气量大幅提高空燃比，相较传 统14.7：1 的 空 燃 比，SKYACTIV-X 超 出2 倍 甚 至 更 多。SKYACTIV-X 将压缩比提高到16.3：1，为汽油压燃创造了条件，压燃为发动机带来了更高的性能输入。SKYACTIV-X 在汽油压燃的基础上利用火花塞点燃技术解决了大负荷、高转速的应用瓶颈，并实现压燃和点燃的稳定切换。该项技术成功应用具有里程碑的意义，有国外学者认为HCCI 的成功证明了内燃机的道路远未到尽头[15]，比如号称热效率高达60%的RCCI 发动机也在开发的道路上。但也有专家认为这是内燃机技术最后一次重大突破，毕竟汽车电动化的浪潮是如此凶猛，而马自达认为这种通过双燃料属性结合的技术后内燃机已经再难进行深入的技术挖掘[16]。（2）分段燃油喷射，即在进气道中提前喷油进行油气预先混合，再在压缩冲程过程中进行缸内喷油。该项技术主要是防止异常燃烧。分段燃油喷射与D-4S 双喷射系统不同之处在于一个是分阶段执行，另一个是分工况执行。（3）超高压喷油，利用高达100Mpa 的喷射压力带来更加强烈的湍流，加快油气混合，提高燃烧效率。（4）使用提高空气量为目的的可解耦增压器。

Clarity 和NEXO 上的燃料电池系统代表目前全球最先进的量产燃料电池技术， 而 Dynamic Force Engine 和SKYACTIV-X 代表目前全球最先进或者说热效率最高的内燃机技术。三个来自日本，一个来自韩国。通过对比发现燃料电池系统中的新技术层出不穷，而内燃机的新技术较少。内燃机许多技术已经发展到极致，性能、工艺、成本控制都相当成熟；燃料电池除电化学以外的大部分技术可以借鉴内燃机成熟技术。

4 在未来能源体系中定位研究

关于定位研究主要分两部分，一是燃料定位，即氢气与汽、柴油在未来能源体系中的定位；二是产品定位，即燃料电池与内燃机在未来能源体系的角色。

4.1 燃料定位

氢是宇宙中存在最多的元素，在地球上氢主要存在于水中。氢气获取方式广泛，可以来自可再生能源，也可来自非再生能源。可再能源中的太阳能、风能、潮汐能都可以发电，然后再利用电解水的方式产生氢气。虽然整个过程存在两次能量转化，但从全球能源体系构建而言还有更深层次的原因：以二次能源为主的能源体系构架中需要同时存在含能体能源和过程性能源，由于含能体能源与过程性能源无法互相替代的属性[17]，因此一次能源发电再通过电解水制氢主要目的是获取稳定的含能体能源，平衡能源体系架构。含能体能源主要特点是含有能量但不能被单独使用，且存储和运输方便，汽、柴油是应用最广泛的含能体能源，诸如煤气、核燃料也是含能体能源。过程性能源含有能量可以单独使用，但一般不便于存储和运输，电是应用最广泛的过程性能源，诸如压缩空气、水切加工用的水也是过程性能源。氢气与汽油、燃气一样属于一种含能体能源，可以储存和运输，而且氢气是唯一完全清洁的含能体能源，这也是氢气作为能源的独特性。从煤炭到汽油再到氢气的过程被称为能源脱碳加氢的过程，更明确的说，这是在可再生能源为一次能源前提下的未来能源蓝图对含能体能源清洁化的必然要求。

非再生能源中的煤、天然气均可用于制备氢气，过程中会带来污染，但在制备端集中对污染进行控制应该比把污染放到使用端更为容易，利用化石能源获取氢气将排放锁定在WTT 阶段更能有效的控制污染。按照《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》所述煤制氢和天然气制氢是目前主要方式，中短期内这种通过化石能源制备氢气必然带来污染。氢气也可以来自工业废气的纯化处理，特别是焦炉煤气和氯碱化工中存在规模价值的氢气来源，长远看通过利用可再生能源电解水制氢将有巨大的潜力。以上是主线声音，但并不是唯一；还有另外一种看法，认为氢气易燃易爆，且运输和存储并不方便，因此在坚持氢能源前提下但应该发展易于获取和运输的醇类，比如被誉为“液态阳光”的甲醇[18]，通过重整制取氢气，实现即产即可。甲醇也是含能体能源，其优势主要体现在：（1）获取容易。特别是中国，2016年甲醇产量7000 万吨，占全球产能58%。（2）价格便宜。对比汽油6000～7000 元/吨价格，甲醇在中国常年处于2500～3500 元/吨水平。即使同热值比较，甲醇大量的应用也可能带来可观的经济效益。（3）建站方便。甲醇与汽油相似度大，基本可以用原有加油站改建。（4）运输储存方便。很明显，在氢能的大趋势下还存在路线之争，但氢能和燃料电池技术的百花齐放将助推行业快速发展。

汽、柴油也都是含能体能源，来源于石油的多次提炼，制备过程中会有污染产生，且不可以来自可再生能源，获取方式单一。石油是目前全球能源体系中最重要的能源之一，2019 年全球石油需求在42 亿吨左右，其中交通用油（主要是汽、柴油）占比超过50%，需求量持续增长，预计到2035 年石油需求达到峰值51.1 亿吨，而交通用油将在2030 年达到峰值30 亿吨。亚太是唯一石油净进口地区，尤其是中国进口量巨大，按照《2018 年国内外油气行业发展报告》，中国石油对外依存度达到69.8%。中国的石油需求在2030 年左右将达到峰值7.05 亿吨，其需求在全球占比在2020 年～2030 年间稳定在13.5%，此后逐渐回落，其中交通用油占比缩减，石化用油占比将持续增长[19]。在此新形式下，石油使用受到巨大的挑战，主要表现为：（1）气候和环境保护要求日益提高带来全球可再生能源使用增长率快于化石能源。（2）全球石油储量峰值预测与中国石油进口警戒线双重叠加，减少石油依赖的心里预期已经形成。（3）交通电气化趋势到来，特别是世界主要国家禁售燃油车提上日程具有较大指引作用。

综合以上信息，在未来能源体系构建中需要两种主要能源，一种是便于储运且获取广泛的含能体能源，另一种是使用快速高效的过程性能源。电能作为最为理想的过程性能源不应有任何异议，而能够实现氢- 电互换的氢气是否可以充当最为理想的含能体能源非常关键。因技术更迭频繁，按照目前的趋势做出绝对的判断并不理性，且价值有限，故对氢气和汽、柴油在未来能源体系中的定位预设如下可能：

（1）氢能技术发展迅速，在安全性得到保证的前提下氢气在使用上突破危化品限制，届时特别在中国氢气将成为最有价值的含能体能源，为未来的氢- 电能源体系打下基础。

（2）纯氢在制备、运输、存储还纯在诸多不足，尤其是安全性问题。燃料电池技术从大概率看将获得突破，特别是高温燃料电池技术、车载甲醇重整技术若得到实质应用，那么甲醇可能从目前的边缘氢能燃料变为主要的含能体能源之一。

（3）全球石油产量和中国汽车产能可能在2030 年左右同期达到峰值，以油电和纯电为代表的新能源汽车发展迅猛，届时若氢能技术未能获得突破（可靠性、成本均在其中）可能面临被淘汰风险，而石油在交通领域减少应用的速度会变慢。

（4）除非2040 年左右全球主要经济体确实发生燃油车禁售，否则即使到2050 年汽、柴油依然是全球最重要的含能体能源。

4.2 产品定位

燃料电池会随着氢能的发展在诸多应用领域兴起，会对传统内燃机带来巨大影响，也会与储能和动力电池正面竞争。

首先在交通领域，燃料电池会分享部分内燃机原先的份额，这里有两种可能性：（1）现在来看燃料电池非常适合于长途重载的交通工具（包括船类），在技术逐渐成熟后的未来将可能主导该领域的应用。而内燃机可能逐渐退出该市场（2）在短途轻载上的应用比较复杂-- 动力电池的技术也在进步，特别是固态电池发展迅速，是燃料电池产品化必须直面的竞争对手。按现有观点，动力电池更适合在短途轻载上，特别是乘用车体系。但从全球车用燃料电池发展来看，燃料电池在乘用车上的应用更为成熟，不应仅仅把目光聚集在国内。另外燃料电池对内燃机的替代是同时作为含能体能源氢气对汽、柴油的替代，这是一个继承过程；而动力电池对内燃机的替代是过程性能源对含能体能源的替换，这才是真正的颠覆。燃料电池在该领域还存在很多不确定性，而内燃机会逐渐退守到油电混合的技术路线上去。其次在发电领域，可以实现热电联供的燃料电池优势明显，大概率会取代内燃机发电，时间可能还比较久远，主要取决于氢气的制备和储运、燃料电池可靠性、氢能政策推动等。另外，由于氢- 电互换的特殊关系，燃料电池在发电领域还有一个重要作用就是储能。由于动力电池储能的成本较高，且存在回收问题，在该领域无法与燃料电池竞争。最后是便携领域，燃料电池很难与小型储能电池竞争，主要是系统复杂度导致小型化产品的功率/体积和功率/重量均没有优势，但在要求长续航的便携领域燃料电池还是有一定的应用优势。

内燃机在整个过程中会比较被动，但整个过程可能很漫长。期待内燃机在热效率、排放等方面有革命性的突破，尽管难度很大。长远来看内燃机不可能消失，总量会减少，但可能如目前蒸汽机一样运用到特定或特殊的领域。