氢能正逐渐成为向清洁能源转型的关键角色。尽管过去主要应用于工业和航天领域，氢能如今正被视为交通、重工业和发电等领域的化石燃料可行替代品。其最大吸引力何在？--使用端的零排放。随着各国政府和产业界追求雄心勃勃的脱碳目标，氢燃料内燃机（Hydrogen-powered Internal Combustion Engines，H2ICEs）被视作实现清洁交通的一条实用路径。与纯电动汽车（BEVs）不同，氢内燃机具备快速加注燃料和更长续航的优势，使其在对效率和运行时间要求极高的重型应用中尤为吸引人。
尽管前景广阔，但氢的独特性质（如易燃性、低点火能量和生成水蒸气副产物）对发动机性能和润滑提出了独特挑战。氢燃烧引入了全新的工况条件，影响发动机磨损、腐蚀和润滑效能。水蒸气可能渗入发动机部件，导致腐蚀和机油乳化，而氢脆则对活塞和喷油器等关键部件构成风险。本文探讨氢燃料内燃机的技术挑战、氢兼容润滑油的开发，以及先进测试技术在推动更高效、耐用和可持续氢燃料系统中的作用。
早期氢能研发
19世纪氢燃料潜力被发现，先后应用于气球和火箭推进。20世纪中期燃料电池技术突破加速氢能应用，氢燃料电池通过电化学反应将氢转化为电能，只产生水和热量作为副产品。这一过程效率很高，因此特别适用于需要清洁、可靠电力的环境。NASA在航天任务中曾利用交换膜燃料电池（PEMFCs）和碱性燃料电池（AFCs）等氢燃料电池为航天器提供动力，证明了氢作为可持续高效能源的潜力[3]。
向可持续能源转型
21世纪气候危机促使氢能在重工业、重型运输等脱碳难点领域重获关注。与传统化石燃料不同，氢能在使用端可大幅减少排放，成为极具吸引力的替代品。这一潜力吸引了原始设备制造商（OEMs）、供应链合作伙伴和政府的巨额投资，以加速清洁能源转型。
政策支持对氢能发展至关重要。欧盟拟将氢燃料车列为零排放交通工具，美国通过税收优惠推动氢基建[1]。但当前化石能源仍占全球84%以上供应，氢能推广面临挑战[2]。随着政策推进和行业势头增强，氢能在能源转型中的角色备受关注：这一多功能能源载体将如何重塑能源格局？哪些领域将从中获益最多？
氢能在能源转型中的角色
氢能可助力交通、发电及钢铁/化工等工业脱碳。当前99%制氢依赖化石燃料，其中石脑油重整是碳排放的主要来源，年排放约9亿吨CO₂[2]。业界正转向可再生能源电解制氢方式，目标2030年实现2400万吨低碳氢产能。若未能达标，后果可能深远：产能不足将限制低排放氢的获取，延缓依赖氢能的难脱碳领域进展，削弱氢能颠覆化石燃料依赖的潜力，拖累气候目标，并阻碍航运、航空和重工业的转型。因此，政府、行业和研究机构的合作对确保氢能成为未来能源系统的基石至关重要。
氢燃烧技术的挑战
早燃问题与燃烧特性
氢的独特燃烧特性对发动机设计构成显著挑战。与常规燃料不同，氢的点火能量低且可燃范围极宽，更易引发早燃和爆震（尤其在高负荷或油门突变时）。若失控，早燃可能导致灾难性发动机故障。氢内燃机比传统汽柴油发动机面临更高风险，因其燃烧过程更不可控[1][4]。
为缓解早燃，润滑油的作用至关重要。专用发动机油旨在减少早燃事件的频率和严重性。针对随机早燃（SPI，燃料随机自燃）的定制添加剂包成为研究重点。据雅富顿化学公司（Afton Chemical）称，抗随机早燃添加剂正在开发中，其研究表明不同润滑油配方可能加剧或阻止早燃循环[4]。这些添加剂通过调节油的挥发性、控制沉积物形成和减少可能触发早燃的热点来发挥作用[4]。
对OEMs而言，风险极高。失控的早燃可能损坏活塞、火花塞和气缸壁，导致发动机提前失效、高昂维修成本和车队停运。随着氢燃烧技术成熟，润滑油公司正开发润滑配方的预测测试模型。行业标准化测试对确保解决方案在不同发动机设计中的可靠性至关重要[1][4]。
对活塞和喷油器的影响
氢燃料内燃机的内部部件承受比传统发动机更高的热力和机械应力，挑战主要来自两方面：
Ø 氢燃烧副产物：氢燃料的高燃烧温度增加了活塞、喷油器尖端和气缸壁的热负荷[1][4]。
Ø 燃料输送差异：氢为气态，需更大体积输送相同能量，要求喷油器喷嘴能精准管理高流速并避免湍流[1][4]。
氢脆是另一关键问题。氢原子渗入金属晶格导致微观裂纹，使活塞、喷油器和阀门等部件寿命骤减。为此，OEMs需开发抗氢脆的新合金、表面处理和涂层，部分厂商正在测试镀层或强化活塞以抵御氢损伤[1][4]。若材料不达标，发动机维修成本、意外停机和部件更换频率将大幅上升。
润滑油中的水污染
氢燃烧的主要副产物水蒸气为润滑系统带来新挑战。氢发动机中水蒸气比例远高于传统发动机，其渗入曲轴箱后可能导致：
Ø 机油乳化：水与油混合形成不稳定乳状液，影响油液流动性[4]。
Ø 腐蚀：水分引发金属部件锈蚀和点蚀[4]。
Ø 冻结风险：寒冷气候下含水润滑油可能冻结，阻碍启动润滑[4]。
测试显示，氢发动机润滑油含水量可达体积的2%，远超传统发动机[4]。为此，新型润滑油配方加入防水添加剂，促进水分离（反乳化作用）或使其以微小液滴安全分散。破乳剂和抗腐蚀添加剂是此类配方的核心[4]。若无法控制水污染，车队将面临换油频率增加、意外维护和发动机提前失效。具备强抗乳化性能的专用润滑油可降低风险，延长换油周期并减少停机时间[4]。
泄漏检测与安全隐患
氢分子极小，极易从密封件和阀门微隙泄漏，无色无味特性使其难以察觉，需依赖早期预警系统。现代氢发动机和加氢站集成先进泄漏检测系统，通过传感器检测空气中ppm级氢浓度，并实时警报。氢在开放空间快速扩散，但在密闭区域爆炸风险较高，因此需通风系统和阻燃密封设计。对于氢动力交通工具来说，泄漏检测的任何延误都可能导致车辆起火，这也是原始设备制造商（OEMs）正在设计实时安全监控系统的原因。这些挑战对加气站基础设施也有重大影响，必须加强安全协议以防止事故发生[1][4]。
功率密度与储氢挑战
氢气的单位体积能量密度较低，需高压储氢罐，导致储罐笨重且占用空间，影响商用车载货量和成本。液氢储存虽能提高密度，但液化过程需低温且能耗高，成本仍是瓶颈。
目前行业标准采用700bar压力储罐储存氢气。这类储罐的罐壁厚实，由先进复合材料制成，以承受内部高压。然而，在700bar压力下，加氢站需要配备专用基础设施才能安全完成储罐充气，而这些系统的安装和维护成本高昂。加氢过程本身也可能代价不菲——根据地区和生产方式不同，氢气价格约为每公斤1.50至8.00美元[2]，其成本仍远高于柴油或汽油，推高了整体运营成本[2]。
目前业界正致力于开发液态氢储存技术，因为液态氢的密度高于气态氢。但液化氢气需在深冷低温环境下完成，这一过程成本高昂且能耗巨大。若储存技术未能取得突破，氢能车队的运营成本将始终高于柴油卡车，难以实现成本平价，从而阻碍车队运营商的转型[2]。
PCS HPR高频往复原位测试仪
精密测试的作用
向氢燃料的转变带来了独特的技术挑战，尤其是在了解燃料和润滑油在高压和反应性气体等极端条件下的行为方面。为了解决这些复杂问题，精密测试技术发挥了至关重要的作用。
例如，现代摩擦学仪器（如PCS Instruments公司生产的HPR高频往复原位测试仪）使研究人员能够模拟和研究这些特定条件。HPR能够在高压或真空环境中工作，因此可以对受控气氛中的摩擦、磨损和材料行为进行详细分析。这种能力对于在苛刻条件下测试润滑剂和涂层的性能尤为重要。通过在实验室环境中复制这些条件，HPR等工具使研究人员能够确定最佳配方和材料，从而提高发动机的效率和寿命。这项工作不仅有助于克服氢气应用所面临的挑战，还能加快氢气实际广泛应用所需的解决方案的开发。
正如PCS Instruments公司研发经理Tom Welham所说：“HPR是一款极具创新性的仪器，可以在受控大气条件下测量往复接触中的摩擦力，包括在真空和正压（最高10bar）条件下。这为研究提供了重要的新机会，包括研究氢气和氨气等新燃料来源、反应性和惰性气氛以及挥发性润滑剂对摩擦和磨损的影响。”
这种创新表明，尖端研究工具正在为氢动力系统成为可行的可持续能源解决方案铺平道路。通过在极端环境中进行受控测试，这些工具有助于为开发氢兼容润滑剂提供信息。
添加剂开发与定制润滑油配方
氢发动机专用添加剂
开发增强极端工况下润滑油性能的添加剂是关键，需减少早燃、防止腐蚀并确保高压润滑。定制添加剂还需应对水污染和高温氧化问题。此外，清洁剂和分散剂虽然由于氢气燃烧更清洁而不那么重要，但也需要针对氢气发动机进行仔细优化。
H2ICE定制润滑油
为氢燃料内燃机开发定制润滑油是优化性能的关键一步。定制润滑油需包含早燃抑制剂、抗氧化剂和防水添加剂，以应对水蒸气积聚和高温挑战。早燃抑制剂对于缓解随机早燃（SPI）至关重要，随机早燃是一种随机点火事件，如果不加以控制，可能会对发动机造成严重损害。抗水添加剂在形成稳定乳状液方面发挥着重要作用，可确保渗入润滑系统的水不会损害润滑效果或发动机保护性能[4]。
润滑油配方的最新进展主要集中在同时解决多个问题的复合添加剂上。这些复合添加剂旨在降低早燃风险、防止水引起的腐蚀并保持机油在低温下的泵送性。根据《Lubes & Greases》的研究，这些多功能添加剂可在防止早燃和水污染之间取得平衡，同时确保润滑油在延长换油周期后仍然有效[4]。这对于氢气发动机尤为重要，因为水蒸气是氢气燃烧的主要副产品，会对润滑油造成污染风险[4]。
目前正在开发这些先进润滑油的原型，以满足严格的性能要求，但全面的现场测试以及学术界、工业界和政府之间的合作研究对于验证仍然至关重要。合作努力对于制定行业标准也至关重要，这些标准将指导OEMs和润滑油生产商开发具有长期可靠性和成本效益的氢兼容发动机油[1][4]。
趋势和挑战
氢燃料应用趋势
随着技术成熟，氢燃料内燃机将在重载领域（如商用卡车）扩展，其快速加注和长续航优势显著。生命周期评估显示，在电力依赖化石燃料的地区，氢燃烧系统的碳强度可能低于电池电动车（BEVs）[1]。
实际应用项目加速向氢动力交通工具过渡：美国西南研究院（SwRI）联合行业伙伴在商用重型卡车上测试H2ICE，验证其性能和可靠性。以氢为动力的运输行业正在快速发展，旨在降低成本和排放的研究也在广泛开展。在加氢基础设施和技术进步的推动下，到2030年，全球运输对氢的需求预计将增至800万吨[2]。
研究与创新克服挑战
事实证明，持续的研究和技术进步对于应对氢燃烧的挑战至关重要。像HPR这样的精密仪器在为开发更高效、更耐用、与氢气更兼容的润滑剂提供见解方面发挥着关键作用。通过在高压和反应环境下进行受控测试，此类工具可提供有关摩擦、磨损以及氢动力系统内化学作用的重要数据。这些知识有助于改进润滑剂配方，使其能够承受氢燃烧带来的独特压力[1]。
除了技术进步之外，全行业的合作也在推动进展。来自政府补贴、OEM投资和产学合作的支持为创新创造了肥沃的环境。例如，政府支持的倡议正在鼓励开发低排放的氢气生产方法，并推进氢气兼容发动机部件的研究。这些努力旨在为更广泛的氢经济创造必要条件，使其能够支持H2ICE以及其他氢动力系统[1][2]。
合作推动可持续能源
实现氢气的大规模应用需要行业领导者、研究人员和政策制定者的共同努力。协作伙伴关系正在解决供应链瓶颈、润滑油配方创新和发动机关键部件耐久性等关键障碍。这些努力确保了氢内燃机仍然是一种可行的、具有成本效益的脱碳选择。
这些伙伴关系的一个关键重点是确保政策支持。行业团体正在努力为氢能发动机制定明确的监管标准，包括零排放车辆分类建议。如果取得成功，这些政策变化将为商业领域更广泛地采用氢动力技术打开大门[1][2]。诸如此类的合作努力正在塑造氢能在能源转型中的未来角色，将曾经的试验性燃料转变为清洁能源系统的真正竞争者。
结论
氢能站在清洁能源转型的前沿，为重载运输和发电等难脱碳领域提供关键替代方案。氢燃料内燃机（H2ICEs）作为过渡技术，在电池无法覆盖的场景中潜力显著。然而，早燃、水诱发的腐蚀和氢脆等技术挑战仍需产学研合作攻克。精密测试方面的创新（如PCS Instruments公司的HPR）和定制氢兼容润滑油的开发正在推进确保发动机可靠性和效率的解决方案。
未来的道路并非没有挑战，但也充满机遇。行业合作、政策支持以及氢兼容润滑油和基础设施方面的进步正在使H2ICE接近商业现实。如果氢能行业能够直面技术和生产方面的挑战，那么氢能将成为未来实现净零排放的最重要因素之一。
参考文章
[1] Society of Tribologists and Lubrication Engineers. (2024, October). Hydrogen-fuelled internal combustion engine technology moves toward commercialization. Tribology & Lubrication Technology. Retrieved from
https://www.stle.org/files/TLTArchives/2024/10_October/Feature.aspx
[2] Halder, P., Babaie, M., Salek, F., Haque, N., Savage, R., Stevanovic, S., Bodisco, T. A., & Zare, A. (2024). Advancements in hydrogen production, storage, distribution, and refuelling for a sustainable transport sector: Hydrogen fuel cell vehicles. International Journal of Hydrogen Energy, 52(1), 973–1004.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.07.204
[3] Burke, K. A. (2003). Fuel cells for space science applications (NASA/TM-2003-212730, AIAA–2003–5938). National Aeronautics and Space Administration, Glenn Research Center. Available at
https://ntrs.nasa.gov/citations/20040010319
[4] Lubes & Greases. (2024, April 30). The same but different: The unique lubricant challenges of hydrogen engines. Retrieved from
https://www.lubesngreases.com/magazine/30_5/the-same-but-different-the-unique-lubricant-challenges-of-hydrogen-engines/
英国PCS公司的HPR高频往复原位测试仪是一款突破性的仪器，专为在高压和真空环境等各种条件下进行先进的摩擦和磨损测试而设计。HPR具有独特的可拆卸腔体功能，可在现场快速、安全地创建和测试样品。
通过对样品舱的压力条件进行直接、精确的控制，意味着比以往更快速、更可靠的实现高压或真空对摩擦接触的影响。
独特的可拆卸的设计使得样品舱在更换时也能保持压力或真空状态，实现原位样品制备。多个样品舱可以使测试周期降至5分钟以内，使得用户能够对相同批次的样品进行连续测试，无需长时间的等待。
HPR为摩擦磨损的研究提供了新机会，包括研究新燃料的来源（如氢气和氨气等）、反应性和惰性气氛以及挥发性润滑剂对摩擦和磨损的影响。
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