氢燃料发动机，是以氢气为燃料的内燃机，燃烧氢气产生动能，是一种新型的发动机，具有高效率、低污染、可持续等优点。

氢发动机自20世纪70年代开始发展，先后经历多个阶段。早期采用文丘里管进气方式；后基于顺序多点喷射和电子控制采取延迟喷射策略，功率仍低于同排量汽油机。为满足高要求，采用废气再循环防回火、催化转化器降氮氧化物排放、增压中冷改善功率损失，也采用缸内直喷技术。2021年12月14日，嘉定区企业发布中国首款采用“混动”氢循环的200kW高功率氢燃料电池发动机。2022年7月11日，丰田汽车等企业启动面向大型商用车氢发动机的基础研究，商讨商品化可能性。

氢燃料发动机空燃比控制、燃料喷射方式不同于天然气和汽油发动机。氢气更易燃，相比汽油发动机，氢燃料发动机更容易出现早燃。氢气的燃烧释放的热量比石油或天然气多，因此氢燃料发动机的效率更高。同时，氢气的燃烧只产生水，不会产生有害气体和固体废物，因此对环境的影响更小。氢具有点火能量小、火焰传播速率快、可燃极限宽、自着火温度较高等特点，因此在发动机上的工作方式有火花点火式、柴油引燃式两种。氢燃料发动机适用于各种车辆、船舶、飞机等运输工具，也适用于电力、工业、商业等领域。

氢发动机的发展从20世纪70年代开始，先后经历了多个阶段。最早开始是采用文丘里管进气方式，为了避免回火，发动机只能在过量空气系数大于2的工况运行，导致功率输出降低明显。随着电子控制技术的发展，人们基于顺序多点喷射和电子控制，采取延迟喷射策略以使空气在氢气喷射之前冷却进气支管和燃烧室，然而功率输出仍然低于同排量汽油机。上述两种方案很难满足高比功率、高燃油经济性、低排放和高可靠性的要求。为此在保持化学计量比附近的条件下，使用废气再循环防止回火，使用催化转化器降低氮氧化物的排放，采用增压中冷来改善发动机功率损失。此外，人们也采用氢气缸内直喷技术，因为缸内高压喷射系统可以消除进气管回火的可能性，而且比进气道喷射系统有更大的功率输出。

2021年12月14日，2021氢能产业发展高峰论坛举行，嘉定企业上海燃料电池汽车动力系统有限公司发布第四代200kW的高功率氢燃料电池发动机，这是中国首款采用“混动”氢循环的发动机，可有效降低氢耗、提升续航。

2022年7月11日消息，丰田汽车、五十铃、广汽日野及电装等近日表示，将启动面向卡车等大型商用车的氢发动机的基础研究。作为发动机实现脱碳的选项，将充分利用各企业的技术，商讨实现商品化的可能性。

由于氢燃料与传统的汽油机、柴油机的燃料不同，因此需根据氢燃料的特点，对燃料的供给系统及燃料组织、燃烧过程相关的发动机结构和控制系统做相应的改进。根据氢供给方式不同，可以分为进气歧管喷射氢气和缸内直喷氢气两种。

进气歧管喷射氢气主要通过电控多点气体喷气系统在进气歧管处喷射氢气，通过控制高速电磁阀的开关时间，可以实现每个气缸定时定量的燃料喷射，从而快速精确地进行空燃比的控制，使发动机具有良好的瞬态响应。这种混合气形成方式的氢燃料发动机对传统发动机结构改动不大，混合气形成和燃烧较易组织，混合气形成质量高，但是存在一定的充气效率损失，使得发动机工作的混合气浓度范围变窄，同时也限制了发动机功率输出，导致发动机动力性能下降并且在高负荷、高压缩比下易发生早燃、回火等异常燃烧。

缸内直喷氢气是指氢气燃料在进气门关闭后喷射进入缸内，根据发动机结构不同，有低压氢气喷射和高压氢气喷射两种方式。缸内高压喷射对于空气充量几乎没有影响，提高了发动机的进气效率，克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，同时降低了发动机爆震的可能性，但发动机的氮氧化物排放控制比较困难，增加了排放控制的成本。此外，氢气喷射阀长期暴露在高温燃气中，对喷射阀的可靠性有很大的挑战。与常规液体燃料发动机和其他气体燃料发动机相比，氢发动机需要重点解决的问题包括爆震燃烧、回火、功率密度提升以及氮氧化物排放控制等问题。

氢燃料在车辆驱动能源方面的应用，起始于把氢燃料电池用作电动车电源。

近代的氢燃料电动车的某些性能可满足使用要求，如戴克公司的使用Mark900氢燃料电池的NECAR5电动车，其电动机输出功率可达75kw，最高时速可达150km⋅h。

但电动车不可能完全取代汽车，主要是因为电池的寿命远短于发动机寿命，而且电动车的最大连续行驶里程受到配备电池数量的限制，一般，电动车装用近百公斤的电池，最大续行驶里程也仅200km左右。尤其是对于数量巨大的在用汽车，不可能将其发动机全报废而改用电动机驱动。因此近代专业人员一直致力于将氢气直接作为发动机燃料的研究，一方面适合发动机能源、排放等方面的要求，另一方面又满足汽车连续行驶里程及能利用在用的发动机。

用作发动机燃料的氢气，可通过甲醇重整等方法获得。液态的甲醇便于被汽车加灌和配带；甲醇能从许多种植物或化工废料中提取，易于燃料站的设立；这些都有利于氢燃料在传统发动机上的应用。上世纪90年代，中国外相继有汽车厂研制出100%燃烧甲醇的发动机。但这类发动机还停留在实验室阶段，没有大范围推广。主要是由于甲醇的雾化条件、燃烧特性、储能密度等与传统燃料汽油、柴油不完全相同，相应对发动机构造要求也不同。各能源按照储能密度大小排序为：汽油\u003e甲醇\u003e氢燃料电池\u003e锂系电池\u003e传统Pb电池。汽油的发热量是34778kJ，其能量密度约13073Wh·kg，远大于其它能源。因此，以汽油为燃料的汽车连续行驶里程大、加速性能和爬坡性能好。在氢燃料中混合一定汽油（或柴油），可以充分利用汽油的高储能密度特性。

目前实际应用较多的氢燃料发动机，是将氢与汽化的汽油或柴油混合后再燃用，氢在混合燃料中占。汽油箱中的汽油通过化油器向发动机提供，在不使用氢燃料时与传统燃料系统相同。附加的氢燃料供给系统由甲醇容器、氢发生器、控制阀、压力表等组成，氢发生器串接在排气管上。甲醇容器中的甲醇进入氢发生器之后，在废气余热和催化剂作用下裂解生成氢。在发动机汽缸真空度作用下，生成的氢被吸入化油器与汽油混合，混合燃料的浓度可通过化汽器各个阀控制。中国氢发生器所用的催化剂一般含有、铂钯、钾和铝等元素，发动机排气管中的废气余热为。对492QA2汽油机作台架及道路试验表明，发动机使用掺氢汽油后在燃油经济性和废气排放方面有明显改善，而动力性与燃用纯汽油时基本相同。甲醇的价格是汽油价格的一半，以氢气代替汽油为燃料使成本降低，并缓解对石油的依赖。混合燃料中的氢使燃烧更充分，而且氢燃烧后的主要废气是水汽，因此，可大幅减少发动机排放污染。另外，甲醇的裂解反应是吸热过程，串接在排气管上的氢发生器吸收了排气热量，与消声器吸收排气能量的作用一样能降低排气噪声，减少对环境放热和噪声。

图1所示的氢燃料发动机的燃料供给系统，不改动原发动机构造，只需要作很少调整和加装氢燃料供给系统部件，当不用氢燃料时发动机仍可燃用汽油，因此，适合于对在用汽车的改造。尤其对于耗油量大、排放差的汽车，可作为没条件更新时的过渡措施。

用于车辆燃料用途的氢气，其随车储存的方法须符合安全、占体积小、容易添加等要求。主要实用方法有：液氢储存、金属氢化物储存、有机液态储存等。

氢气在一定的压力和温度下呈液态，常压时液态氢的密度是气态氢的845倍，占体积小。液氢的体积能量密度高，其单位热值约为汽油的3倍。与金属氢化物储存等其它方法相比，液氢储存时自身的质量最轻。液氢的添加和计量与传统液态燃料相似，液氢的这些特点有利于车用燃料的储存要求。

但是，液氢对储存容器的绝热和安全性设计要求很高。液氢与环境温度相差很大，蒸发损失及将气态氢经高压低温变成液态氢损失使氢液的成本较大，难于大量建立供给站及在民用车辆上应用。

金属氢化物储氢，是先将特殊金属与氢反应生成金属氢化物，使用时再加热金属氢化物释放氢供作燃料。目前研究应用的储氢金属或合金主要有钛系、稀土系、镁系等。

金属氢化物的储氢密度接近液态氢，适合于随车燃料储存的要求。金属氢化物储氢的另一优点是氢原子在合金中储存及释放使用过程时不易爆炸，安全性好。奔驰汽车公司生产的以汽油和氢气共同作燃料的小轿车就是用钛铁合金氢化物为贮氢箱。

金属氢化物储氢的缺点是储氢合金性能的衰减。随着反复的使用，储氢合金内部累积应变引起塑性变形或损坏；金属中与氢亲合力小的元素在反应过程中游离减少；原料气体中的杂质会积存在金属氢化物内；这些都使金属变质，其储氢和放氢能力下降。

这种储氢方法利用催化装置把氢寄存于苯、甲苯、甲基环己烷等有机化合物液体里，氢在这些有机物液体中可被安全地储存和运输。使用氢燃料时，以催化脱氢装置把氢从有机物液体中脱离出来，而有机物液体脱氢后可再利用。

有机物液体储氢的方法在储存及运输时安全、成本低，储氢量与金属氢化物相似，储氢剂可循环使用。但有机物液体加氢及脱氢反应会消耗较多能量，并需要理想的催化剂。

上述方法所储的氢较多用于氢燃料电池，供电动车的马达电源用。对于发动机驱动的“氢燃料汽车”，可直接用甲醇重整等方法获得氢。常压、高温状态时，甲醇等醇类在催化剂作用下能生成氢。甲醇可以从玉米、甘蔗等植物秸杆或煤炭、天然气等矿物中制取，甲醇重整生成的氢较纯。在高温状态下生成的氢，氢气中混有蒸发成分，因此氢燃料不是单纯的“气态”，而是类似于雾化汽油的“汽态”。氢燃料的这种状态有利于供给传统燃料发动机使用。