综述：氨-氢聚变燃料：零碳能源系统的关键技术与前沿挑战

《International Journal of Hydrogen Energy》：Ammonia-hydrogen fusion fuels: Key technologies and frontier challenges for zero-carbon energy systems

　　方海洋|关斌|朱雷|朱天奎|庄中琦|陈俊燕|胡学涵|朱晨宇|赵思凯|高俊杰|舒凯宇|党洪涛|张 luoyang|白云龙|李原|徐路鑫|魏硕|毛宇阳|吴鹏飞|刘元林|黄震
上海交通大学电力机械与工程教育部重点实验室，中国上海 200240

摘要
在碳中和和能源转型的背景下，零碳能源载体成为研究的焦点。然而，传统的零碳燃料如氢气和氨气在存储、运输和燃烧方面仍存在关键缺陷。氨-氢融合燃料通过结合氢气和氨气的优点，提供了一个综合解决方案。本文系统地回顾了氨-氢融合燃料作为有前景的能源载体的关键技术链和挑战。我们总结了绿色氢气-绿色氨气的生产途径、双燃料发动机应用（包括喷射、点火和微混合燃烧），以及直接和间接的燃料电池路线。还分析了核心挑战，如NOx排放控制、氨气裂解、材料腐蚀和生命周期碳减排潜力。本综述强调了氨-氢融合燃料在零碳能源系统中的战略价值，特别是在重型运输、海运和工业领域。

引言
当今世界环境问题日益严重，其中最显著的是全球变暖。由于全球变暖导致的温度升高已经对人类健康和生活产生了严重影响。为了避免灾难性的健康后果，世界必须将温度上升限制在1.5°C以内。全球变暖的速度正在加快，这将导致干旱和其他许多问题[1]。
面对这些严重的环境问题，世界各国正在积极寻找对策。全球有178个国家签署了《巴黎协定》。该计划的长期目标是将本世纪全球平均温度上升幅度控制在相对于工业化前水平的2°C以内，并进一步努力将温度上升限制在1.5°C[2][3]。
为实现《巴黎协定》的目标，“碳中和”概念越来越受到关注。全球碳中和指的是人类活动引起的二氧化碳排放与在特定时间内被去除的这些气体量相平衡的状态，通常被称为净零排放。在某些情况下，排放指的是所有温室气体的排放，而在其他情况下则仅指二氧化碳排放[4]。净零排放的概念起源于21世纪末对大气、海洋和碳循环如何响应二氧化碳排放的研究，该研究表明只有将二氧化碳排放降至净零才能阻止全球变暖[5]。
目前，世界上许多国家都提出了碳中和目标，如表1所示。
为了实现碳中和目标，各国正在积极推进能源转型。中国具有许多优势，使其能够成功实现碳中和转型，同时在技术和能源政策制定方面展现国际领导力。中国既是世界上最大的碳排放国，也是关键清洁能源技术产品的最大生产基地（见图1、图2）。
日本也致力于实现碳中和转型。2025年3月28日，世界上第一艘商用氨燃料轮船“Sakigake”完成了示范航行，其温室气体排放量减少了约95%（见图3[9]）。同年9月1日，J-ENG宣布成功研发了世界上第一台全尺寸商用氨燃料发动机，标志着航运业脱碳技术的重大突破[10]。
在欧洲，海洋动力系统领域的领先企业Everllence（前身为MAN Energy Solutions）也在将氨燃料推进技术转化为商业产品方面取得了关键进展。2025年11月12日，该公司正式推出了其ME-LGIA二冲程氨双燃料发动机，这是世界上第一台可供商业订购的海洋用二冲程氨燃料主机。Everllence表示，首台ME-LGIA发动机预计将于2026年第一季度交付，并在2025年第四季度进行调试[11]。

氢气作为一种零碳能源载体，由于其物理特性，在应用规模上面临根本性限制。一方面，氢气的低体积能量密度迫使存储和运输依赖高压或深度冷却液化，导致基础设施成本大幅增加——据行业估计，氢气的存储和运输成本占最终售价的40-60%[12][13]。另一方面，氢分子体积小且扩散性高，泄漏风险比传统燃料高两个数量级，在密闭空间内很容易达到4-75%的易燃浓度极限。常见的氢存储方法见图4。
氨（NH3）作为能源载体的优势在于其高氢含量（17.7%）和高能量密度（体积能量密度约为13.6 MJ/L）；在常压下液化储存和运输的成本较低，可在-33°C或加压至1.0 MPa的条件下以液态形式存储和运输[14]。因此，近年来它成为最有前景的氢能载体。然而，将其直接用作燃料时存在三个燃烧缺陷：
1) 点火障碍：氨燃料需要超过680 mJ的最低点火能量，这使得压缩点火发动机难以在低温下启动；
2) 火焰不稳定：氨燃烧的层流火焰速度不到氢气的1/10，容易发生燃烧中断[15]；
3) 氮氧化物生成：氨燃料在低温燃烧会导致未燃尽的氨释放，大大降低利用率；然而，在高温下氮不可避免地会转化为氮氧化物（NOx），而氮氧化物具有不同程度的毒性，容易导致氮氧化物污染。
鉴于氢存储和安全方面的挑战以及氨的燃烧特性，一种新的“氨-氢融合燃料”模型被提出并受到广泛关注，旨在以协同方式解决氢和氨的互补性问题。氨-氢融合燃料是由氢气和液态氨按10–30%的体积比例混合而成的燃料，具有更好的物理和化学稳定性。这种燃料不仅保留了氨易于存储和运输的优点，还结合了氢的燃烧性能，从而在分子层面实现了“燃烧载体”和“燃烧剂”的结合。
氨-氢融合燃料的核心价值在于实现新的零碳燃料的技术经济平衡。从存储、运输、燃烧和排放三个维度来看：液态氨基质保持了常压下低温存储和运输的可行性，由于添加了氢气，所需的额外空间远小于纯氢系统所需的压缩能量；添加氢气提高了氨的层流火焰速度，拓宽了可燃范围，并降低了点火能量；氢的自由基促进了NH2→N2的途径，减少了燃料型氮氧化物的生成，同时抑制了未燃尽氨的排放。总体而言，氨-氢融合燃料有效解决了氢气和氨作为燃料的问题，成为更具有前景的无碳清洁能源。

章节片段
氨-氢融合燃料的基本性质
氨-氢融合燃料的实际应用和技术优化依赖于对纯氨和氢的物理化学性质及其混合物燃烧反应动力学的深入理解。前一章阐明了氨-氢融合燃料出现的能源转型背景和核心价值。本章系统地研究了氨和氢的分子物理化学性质。

氨-氢融合燃料的制备：“绿色氢-绿色氨”
氨-氢融合燃料的环境效益取决于其生产方式。由绿色电力驱动的绿色氢-绿色氨生产系统是实现这些燃料整个生命周期零碳状态的基础。它还代表了连接前一章基础特性研究与后续动力应用研究的关键技术纽带。

动力应用：燃烧和电化学
燃烧利用和电化学利用是氨-氢融合燃料的两个主要动力应用途径，是生产技术和前沿研究挑战之间的关键工程纽带。前一章讨论的绿色氢-绿色氨生产技术为这些燃料提供了可靠的清洁原料。目前其工程应用的核心挑战是开发定制的动力应用方案。

前沿技术中的挑战与突破
氨-氢融合燃料的制备和动力应用的技术框架已初具雏形，但从实验室研究到大规模商业应用的规模化应用仍受到许多关键技术瓶颈的阻碍，需要紧急突破。这些挑战贯穿于燃烧利用、氨裂解生产氢气以及存储和运输材料的保护技术等关键过程中。

氨-氢融合燃料的全面评估
在系统分析氨-氢融合燃料的基本性质、生产技术、动力应用和前沿挑战之后，评估其作为零碳能源载体的价值不仅仅需要评估单个组件的技术性能，还需要从全面的角度评估其环境效益和碳减排潜力。这种方法为验证它们是否真正具有实际价值提供了核心依据。

总结
本综述重点关注氨-氢融合燃料的技术经济平衡，系统地梳理了从制备到应用的全技术链，并深入分析了需要克服的前沿挑战。主要结论如下：
在制备层面，绿色氢-绿色氨是实现其整个生命周期零碳的核心。在电解水制氢方面，ALK和PEM技术已经成熟，创新重点在于……

作者贡献声明
方海洋：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、调查、数据整理；
关斌：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化；
朱雷：方法论、调查；
朱天奎：方法论、调查；
庄中琦：方法论、调查；
陈俊燕：方法论、调查；
胡学涵：方法论、调查；
朱晨宇：方法论、调查；
赵思凯：方法论、调查；
高俊杰：方法论、调查；

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52476124、52076134、51676127、51436005和51176118）、国家重点研发计划（2016YFC0205200、2016YFC0208000和2017YFB0103501）、高技术船舶研究项目“基于奥托循环的氨燃料船舶关键燃烧技术研究”、上海交通大学海洋跨学科计划（SL2022MS006）以及云南重大科技项目的支持。