如果氢气的来源和储运得到解决，燃氢内燃机还是氢燃料电池的汽车胜出？
好的，我们来聊聊氢能源汽车，特别是当氢气的来源和储运问题都能顺利解决后，燃氢内燃机和氢燃料电池汽车之间究竟谁能脱颖而出。这是一个复杂但极具吸引力的话题，涉及到技术、成本、效率以及我们对未来交通的想象。
一、 问题的背景：如果我们不再为“氢”发愁
首先，我们要明确一点：目前制约氢能源汽车普及的最大瓶颈，确实在于氢气的“从何而来”以及“如何安全高效地运输和储存”。
来源问题： 目前大部分氢气是通过化石燃料（如天然气）重整制取的，这个过程会产生二氧化碳，与零排放的目标相悖。虽然“绿氢”（通过可再生能源电解水制取）是终极目标，但其成本高昂、规模化生产能力不足。
储运问题： 氢气是一种非常轻的气体，密度极低。要储存足够的氢气以提供可观的续航里程，需要极高的压力（700bar）或者极低的温度（液氢），这都对储氢罐的安全性、轻量化和制冷技术提出了极高的要求。同时，氢气的扩散性也很强，对储存和输送管线的设计和维护要求也更严格。
但是，题目设定了一个美好的前提：这些问题都得到了解决！ 这意味着我们可以廉价、大量地获取（比如绿氢普及），并且有安全、高效、成本合理的储运方式。有了这个前提，我们就可以更纯粹地比较这两种技术路线本身了。
二、 燃氢内燃机（H₂ ICE）：熟悉的面孔，新的血液
燃氢内燃机，顾名思义，就是将氢气作为燃料，在经过改造的内燃机中燃烧产生动力。这是一种非常“接地气”的技术，因为它的基础是大家熟悉的内燃机技术。
优势：
1. 技术成熟度与基础设施兼容性： 这是最大的优势。我们有百年以上的内燃机制造和维护经验，全球汽车维修网络和制造能力都可以相对容易地转化为燃氢内燃机的支持。加油站的概念可以稍加改造，就能变成加氢站，这比从零开始建立全新的充电网络要容易得多。
2. 制造成本相对较低： 相较于制造复杂的燃料电池堆，改造现有的内燃机技术，其初始制造成本可能更低。这意味着入门级的氢能源汽车价格可能更具竞争力。
3. 动力输出特性： 内燃机在高转速和高负荷下能够提供强大的动力输出，这对于追求性能的消费者来说是一个亮点。
4. 低温启动性能： 相较于燃料电池在极寒环境下可能遇到的启动问题，燃氢内燃机在这方面表现更稳定。
5. 对电网依赖性较低： 燃氢内燃机直接使用氢气，不直接消耗电能，对于电网容量压力较小的地区或场景，具有一定优势。
劣势：
1. 能量转化效率问题： 这是燃氢内燃机相比氢燃料电池最显著的短板。虽然氢气燃烧的产物是水，理论上是零排放，但在实际的内燃机燃烧过程中，即便优化得很好，其热效率也难以与燃料电池相比。内燃机的效率通常在30%40%左右，而氢燃料电池的效率可以达到60%甚至更高（特别是结合热电联产时）。这意味着，在消耗相同质量的氢气时，燃氢内燃机能产生的可用能量更少，续航里程会打折扣，或者需要携带更多的氢气。
2. 氮氧化物（NOx）排放： 氢气燃烧的产物主要是水，但高温燃烧时仍然会与空气中的氮气反应生成氮氧化物（NOx），虽然比汽油和柴油少得多，但要达到零排放标准，仍然需要复杂的后处理系统，这会增加成本和复杂性。
3. 燃烧控制与稳定性： 氢气的燃烧速度非常快，容易发生爆震，对燃烧室的设计、点火系统和空燃比的控制要求非常高，需要精密的调校才能保证稳定和高效的燃烧。
4. NVH（噪音、振动、不平顺性）： 即使是经过改造的内燃机，其固有的机械结构也意味着它会产生一定的噪音和振动，不如燃料电池系统安静平顺。
三、 氢燃料电池汽车（FCEV）：未来的明星，孕育中的挑战
氢燃料电池汽车是利用氢气和氧气通过电化学反应直接产生电能，然后驱动电动机的车辆。
优势：
1. 极高的能量转化效率： 这是其最核心的优势。燃料电池可以将氢气的化学能高效地转化为电能，通常可以达到60%以上的效率，甚至在一些工况下可以超过70%。这意味着在消耗相同质量的氢气时，FCEV能提供更长的续航里程，或者可以用更少的氢气达到相同的续航。
2. 零排放： 燃料电池的化学反应直接产生电和水，没有燃烧过程，因此不会产生NOx、颗粒物等有害排放物，真正实现“零排放”。
3. 运行安静平顺： 燃料电池系统主要依靠电化学反应，没有复杂的机械运动部件，因此运行非常安静，振动也极小，乘坐体验更佳。
4. 能量回收效率高： FCEV通常配备能量回收制动系统，可以将制动时产生的能量转化为电能储存起来，进一步提高整体效率。
5. 模块化设计潜力： 燃料电池系统可以根据车辆需求进行模块化设计，适合不同类型和尺寸的车辆。
劣势：
1. 技术复杂性与制造成本： 燃料电池的核心是燃料电池堆，其制造涉及贵金属（如铂）催化剂、精密膜电极组件和复杂的控制系统。这些都使得其制造成本目前仍然远高于内燃机。
2. 氢气纯度要求高： 燃料电池对氢气的纯度要求非常高，微量的杂质（如CO、硫化物）都可能对催化剂造成严重污染，导致性能下降甚至损坏。这意味着储运和加氢环节需要更严格的过滤和净化。
3. 低温启动性能： 燃料电池在极寒环境下，其中的电解质（如质子交换膜）可能结冰，影响启动和运行。需要设计复杂的预热和保温系统，增加了系统的复杂性和能耗。
4. 耐久性和寿命： 燃料电池堆的长期耐久性和寿命仍然是需要持续关注和提升的领域，特别是在汽车这种高动态、高可靠性要求的应用中。
5. 对电网的“间接”依赖： 尽管FCEV不直接用电，但如果其电力（通过氢气转化）是用来驱动电动机，那么整体的能源链效率（从绿氢生产到最终电能）就显得尤为重要。
四、 谁会胜出？——“胜出”并非黑白分明
在“氢气的来源和储运得到解决”这个前提下，我们来做个判断：
总体来看，氢燃料电池汽车（FCEV）更有可能成为主流，原因在于其内在的更高能量效率和真正的零排放特性。
详细论述：
1. 效率是王道： 交通工具的能源效率直接决定了其运行成本和续航能力。当氢气成本趋于一致时，谁能更有效地利用每一分子氢气，谁就能在竞争中占据优势。FCEV更高的能量转化效率意味着更长的续航或更少的氢气消耗，这对于消费者来说是非常直接的利益。即使燃氢内燃机通过技术进步（如稀薄燃烧、预混合等）提高了效率，也很难追赶上燃料电池的水平。
2. 环保的终极追求： 汽车行业向零排放迈进是不可逆转的趋势。FCEV在运行过程中真正的零排放（仅水）是其最大吸引力。而燃氢内燃机即便经过优化，依然存在NOx的潜在排放问题，这可能会使其在日益严格的环保法规下处于劣势。
3. 技术进步与成本下降： 尽管目前FCEV成本高昂，但随着技术的进步和规模化生产，燃料电池的成本正在稳步下降。曾经困扰FCEV的耐久性、低温启动等问题也正在通过技术创新得到解决（例如固态燃料电池、更先进的控制系统等）。相比之下，燃氢内燃机的技术天花板相对较低。
然而，这并不意味着燃氢内燃机就完全没有生存空间。
特定领域的补充： 燃氢内燃机可能在某些特定领域找到其市场定位。例如，那些对基础设施升级要求较低、偏好内燃机驾驶感受、或者对初始购车成本敏感的消费者，可能会选择燃氢内燃机汽车。一些商用车、特种车辆，或者在某些对氮氧化物排放控制相对宽松但又希望使用清洁能源的地区，也可能采用燃氢内燃机。
过渡性技术： 在FCEV技术和成本尚未完全成熟时，燃氢内燃机可能扮演一定的过渡角色，帮助推广氢能源在交通领域的应用，并为氢气基础设施的建设积累经验。
成本敏感型市场： 如果未来绿氢成本极低，但燃料电池系统成本仍然居高不下，那么在某些以成本为主要考量的市场，燃氢内燃机可能依然具备竞争力。
一个类比： 想象一下，如果汽油的提炼和运输变得极其廉价且环保，那么电动汽车和混合动力汽车是否就没有优势了？答案是否定的，因为电动汽车在能量效率和零排放方面的优势是其核心竞争力。
总结：
在氢气来源和储运问题得到解决的理想情境下，氢燃料电池汽车（FCEV）凭借其更高的能量转化效率、真正的零排放和更佳的平顺性，更有可能成为氢能源汽车的主流选择。 它们代表了更先进、更环保的未来方向。
而燃氢内燃机（H₂ ICE）虽然技术成熟、基础设施兼容性好，但其效率劣势和潜在的NOx排放问题，使其更可能成为一个补充性的选择，或者在某些特定细分市场和过渡时期发挥作用。
最终的市场格局，除了技术本身，还将受到政策支持、消费者偏好、基础设施建设的速度以及整体能源战略的影响。但从技术内在优越性来看，燃料电池拥有更长远的生命力。
一、 问题的背景：如果我们不再为“氢”发愁
首先，我们要明确一点：目前制约氢能源汽车普及的最大瓶颈，确实在于氢气的“从何而来”以及“如何安全高效地运输和储存”。
来源问题： 目前大部分氢气是通过化石燃料（如天然气）重整制取的，这个过程会产生二氧化碳，与零排放的目标相悖。虽然“绿氢”（通过可再生能源电解水制取）是终极目标，但其成本高昂、规模化生产能力不足。
储运问题： 氢气是一种非常轻的气体，密度极低。要储存足够的氢气以提供可观的续航里程，需要极高的压力（700bar）或者极低的温度（液氢），这都对储氢罐的安全性、轻量化和制冷技术提出了极高的要求。同时，氢气的扩散性也很强，对储存和输送管线的设计和维护要求也更严格。
但是，题目设定了一个美好的前提：这些问题都得到了解决！ 这意味着我们可以廉价、大量地获取（比如绿氢普及），并且有安全、高效、成本合理的储运方式。有了这个前提，我们就可以更纯粹地比较这两种技术路线本身了。
二、 燃氢内燃机（H₂ ICE）：熟悉的面孔，新的血液
燃氢内燃机，顾名思义，就是将氢气作为燃料，在经过改造的内燃机中燃烧产生动力。这是一种非常“接地气”的技术，因为它的基础是大家熟悉的内燃机技术。
优势：
1. 技术成熟度与基础设施兼容性： 这是最大的优势。我们有百年以上的内燃机制造和维护经验，全球汽车维修网络和制造能力都可以相对容易地转化为燃氢内燃机的支持。加油站的概念可以稍加改造，就能变成加氢站，这比从零开始建立全新的充电网络要容易得多。
2. 制造成本相对较低： 相较于制造复杂的燃料电池堆，改造现有的内燃机技术，其初始制造成本可能更低。这意味着入门级的氢能源汽车价格可能更具竞争力。
3. 动力输出特性： 内燃机在高转速和高负荷下能够提供强大的动力输出，这对于追求性能的消费者来说是一个亮点。
4. 低温启动性能： 相较于燃料电池在极寒环境下可能遇到的启动问题，燃氢内燃机在这方面表现更稳定。
5. 对电网依赖性较低： 燃氢内燃机直接使用氢气，不直接消耗电能，对于电网容量压力较小的地区或场景，具有一定优势。
劣势：
1. 能量转化效率问题： 这是燃氢内燃机相比氢燃料电池最显著的短板。虽然氢气燃烧的产物是水，理论上是零排放，但在实际的内燃机燃烧过程中，即便优化得很好，其热效率也难以与燃料电池相比。内燃机的效率通常在30%40%左右，而氢燃料电池的效率可以达到60%甚至更高（特别是结合热电联产时）。这意味着，在消耗相同质量的氢气时，燃氢内燃机能产生的可用能量更少，续航里程会打折扣，或者需要携带更多的氢气。
2. 氮氧化物（NOx）排放： 氢气燃烧的产物主要是水，但高温燃烧时仍然会与空气中的氮气反应生成氮氧化物（NOx），虽然比汽油和柴油少得多，但要达到零排放标准，仍然需要复杂的后处理系统，这会增加成本和复杂性。
3. 燃烧控制与稳定性： 氢气的燃烧速度非常快，容易发生爆震，对燃烧室的设计、点火系统和空燃比的控制要求非常高，需要精密的调校才能保证稳定和高效的燃烧。
4. NVH（噪音、振动、不平顺性）： 即使是经过改造的内燃机，其固有的机械结构也意味着它会产生一定的噪音和振动，不如燃料电池系统安静平顺。
三、 氢燃料电池汽车（FCEV）：未来的明星，孕育中的挑战
氢燃料电池汽车是利用氢气和氧气通过电化学反应直接产生电能，然后驱动电动机的车辆。
优势：
1. 极高的能量转化效率： 这是其最核心的优势。燃料电池可以将氢气的化学能高效地转化为电能，通常可以达到60%以上的效率，甚至在一些工况下可以超过70%。这意味着在消耗相同质量的氢气时，FCEV能提供更长的续航里程，或者可以用更少的氢气达到相同的续航。
2. 零排放： 燃料电池的化学反应直接产生电和水，没有燃烧过程，因此不会产生NOx、颗粒物等有害排放物，真正实现“零排放”。
3. 运行安静平顺： 燃料电池系统主要依靠电化学反应，没有复杂的机械运动部件，因此运行非常安静，振动也极小，乘坐体验更佳。
4. 能量回收效率高： FCEV通常配备能量回收制动系统，可以将制动时产生的能量转化为电能储存起来，进一步提高整体效率。
5. 模块化设计潜力： 燃料电池系统可以根据车辆需求进行模块化设计，适合不同类型和尺寸的车辆。
劣势：
1. 技术复杂性与制造成本： 燃料电池的核心是燃料电池堆，其制造涉及贵金属（如铂）催化剂、精密膜电极组件和复杂的控制系统。这些都使得其制造成本目前仍然远高于内燃机。
2. 氢气纯度要求高： 燃料电池对氢气的纯度要求非常高，微量的杂质（如CO、硫化物）都可能对催化剂造成严重污染，导致性能下降甚至损坏。这意味着储运和加氢环节需要更严格的过滤和净化。
3. 低温启动性能： 燃料电池在极寒环境下，其中的电解质（如质子交换膜）可能结冰，影响启动和运行。需要设计复杂的预热和保温系统，增加了系统的复杂性和能耗。
4. 耐久性和寿命： 燃料电池堆的长期耐久性和寿命仍然是需要持续关注和提升的领域，特别是在汽车这种高动态、高可靠性要求的应用中。
5. 对电网的“间接”依赖： 尽管FCEV不直接用电，但如果其电力（通过氢气转化）是用来驱动电动机，那么整体的能源链效率（从绿氢生产到最终电能）就显得尤为重要。
四、 谁会胜出？——“胜出”并非黑白分明
在“氢气的来源和储运得到解决”这个前提下，我们来做个判断：
总体来看，氢燃料电池汽车（FCEV）更有可能成为主流，原因在于其内在的更高能量效率和真正的零排放特性。
详细论述：
1. 效率是王道： 交通工具的能源效率直接决定了其运行成本和续航能力。当氢气成本趋于一致时，谁能更有效地利用每一分子氢气，谁就能在竞争中占据优势。FCEV更高的能量转化效率意味着更长的续航或更少的氢气消耗，这对于消费者来说是非常直接的利益。即使燃氢内燃机通过技术进步（如稀薄燃烧、预混合等）提高了效率，也很难追赶上燃料电池的水平。
2. 环保的终极追求： 汽车行业向零排放迈进是不可逆转的趋势。FCEV在运行过程中真正的零排放（仅水）是其最大吸引力。而燃氢内燃机即便经过优化，依然存在NOx的潜在排放问题，这可能会使其在日益严格的环保法规下处于劣势。
3. 技术进步与成本下降： 尽管目前FCEV成本高昂，但随着技术的进步和规模化生产，燃料电池的成本正在稳步下降。曾经困扰FCEV的耐久性、低温启动等问题也正在通过技术创新得到解决（例如固态燃料电池、更先进的控制系统等）。相比之下，燃氢内燃机的技术天花板相对较低。
然而，这并不意味着燃氢内燃机就完全没有生存空间。
特定领域的补充： 燃氢内燃机可能在某些特定领域找到其市场定位。例如，那些对基础设施升级要求较低、偏好内燃机驾驶感受、或者对初始购车成本敏感的消费者，可能会选择燃氢内燃机汽车。一些商用车、特种车辆，或者在某些对氮氧化物排放控制相对宽松但又希望使用清洁能源的地区，也可能采用燃氢内燃机。
过渡性技术： 在FCEV技术和成本尚未完全成熟时，燃氢内燃机可能扮演一定的过渡角色，帮助推广氢能源在交通领域的应用，并为氢气基础设施的建设积累经验。
成本敏感型市场： 如果未来绿氢成本极低，但燃料电池系统成本仍然居高不下，那么在某些以成本为主要考量的市场，燃氢内燃机可能依然具备竞争力。
一个类比： 想象一下，如果汽油的提炼和运输变得极其廉价且环保，那么电动汽车和混合动力汽车是否就没有优势了？答案是否定的，因为电动汽车在能量效率和零排放方面的优势是其核心竞争力。
总结：
在氢气来源和储运问题得到解决的理想情境下，氢燃料电池汽车（FCEV）凭借其更高的能量转化效率、真正的零排放和更佳的平顺性，更有可能成为氢能源汽车的主流选择。 它们代表了更先进、更环保的未来方向。
而燃氢内燃机（H₂ ICE）虽然技术成熟、基础设施兼容性好，但其效率劣势和潜在的NOx排放问题，使其更可能成为一个补充性的选择，或者在某些特定细分市场和过渡时期发挥作用。
最终的市场格局，除了技术本身，还将受到政策支持、消费者偏好、基础设施建设的速度以及整体能源战略的影响。但从技术内在优越性来看，燃料电池拥有更长远的生命力。
网友意见
氢气来源现在就是解决的，水煤气反应、水气上转换WGS、重整dry/wet reforming都是十分成熟或接近成熟的反应。提问者以为没有解决，可能是想的电解水吧？这个目前确实不够成熟（简言之碱性OER、酸性HER效果都比较好了，但是全解水另一半反应还差点意思）。
还有光解水也是可行方向，同样尚不能达到工业化，全解水效率很低，一些研究加了空穴捕获剂其实也好不到哪去。其实我对光催化的应用是略悲观的（学术研究是另一回事），现在商品化的太阳能电池效率可以超过20%，而光催化剂QE效率达到2%都算高的，还经常对波长挑三拣四。太阳能发电然后电加热做热催化或者电催化效率会更高。产氢涉及到收集和分离，所以光催化设施必然会庞大，不像光降解催化剂一丢就完事了。
储运这事允许我笑一会，美国能源部03年为了车用储氢订了一个目标（target），毕竟化学不是魔法，元素周期表在那摆着，氢又是最轻的元素，利用化合物产氢的理论上限是存在的（高压气罐和吸附效果更差）。
其实指标也不能说很离谱吧，离上限余地挺大，但是就是高估可应用技术的发展了。到2009年，眼看第一个时间节点要到了，紧急下调了目标
原定目标推后5年，最初设想12年内实现的目标直接大笔一划勾掉了，当然09年版也细化了一些内容
那过去10多年实现的怎么样了呢？
做不到我们可以降指标啊。。。话说待我有空我查下丰田那个氢能源车（超高压的储气罐）是否达到2020目标，2025那个目标怕是没法如期实现了。
=======9.13更mirai储气罐===
根据剖析丰田燃料电池轿车Mira高压储氢系统（上） - 精通维修下载
丰田Mirai有两个氢气罐，空重合计87.5kg，依据不同说法可加注5-5.5kg氢，以上限记，5.5/87.5+5.5=0.059
数据有点打脸，这个数据实际上符合老版2017/新版2025版质量容量目标了，适当扩大容器或增加储气压力达到远期目标似乎不难。不过实现方式也是够丧心病狂，70MPa的储气压力，非相关专业可能没有直观概念，这个数据相当于700个大气压/7000m深海底，作为对比，汽车轮胎气压0.25MPa附近，实验用气体钢瓶填充15MPa（即便这种压力也发生过多起致命事故，可想丰田为了70MPa储气罐安全性付出的努力），我国95步枪使用5.8x42mm DBP-87型普弹和钢芯弹膛压为284.3Mpa。
==============
可行的化学存储和产氢方式有闲心再写，待续
可以先留一个思考题，效率方面燃料电池无疑遥遥领先，但是可能有哪些因素制约？或者说内燃机哪些点还保有优势呢
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