蝌学最前沿丨“氨” 能可贵！这就是零碳燃料界的“潜力股”

提到氨（NH₃），你最先会想到什么？是高中化学实验室里的难闻溶剂氨水，还是制造氮肥的关键原料氨气？

2025年6月，全球首艘纯氨燃料内燃机动力示范船舶“氨晖号”28日在安徽合肥巢湖水域首航成功。这标志着氨燃料的工业化应用取得重大突破。

在全球应对气候变化、追求碳中和目标的宏大背景下，能源系统的绿色转型已成为不可逆转的时代潮流。在众多清洁能源技术路线中，氨作为一种零碳燃料，正凭借其独特的物理化学性质和广阔的应用前景，从传统的化工原料领域脱颖而出，成为能源科技领域备受瞩目的“潜力股”。

“氨晖号”在安徽合肥巢湖水域首航

图片来源：新华社

氨燃料的魅力何在？

氨燃料最引人注目的优势在于其燃烧过程的清洁性，即“零碳排放”特性。这一特性源于其独特的分子构成与由碳氢化合物组成的传统化石燃料（如煤、石油、天然气）不同，氨分子中不含碳元素。因此，在理想燃烧条件下，氨与氧气（O₂）发生化学反应，其产物仅为氮气（N₂）和水（H₂O）。这一过程的化学方程式可以简化为：

从这个方程式中可以清晰地看到，全程没有二氧化碳的参与。这意味着，如果氨燃料由可再生能源（如风能、太阳能）通过电解水制氢，再与空气中分离的氮气合成（即“绿氨”），那么其整个生命周期——从生产到最终燃烧——的碳足迹可以趋近于零。这种从源头上消除碳排放的特性，使得氨燃料成为替代化石燃料、实现能源系统深度脱碳的理想选择之一，尤其是在难以通过电气化实现减排的重工业和长途运输领域。

全球最大单体绿氨装置——国家电投大安风光制绿氢合成氨一体化示范项目

图片来源：央视新闻

在实际应用中，如在船舶航运领域，使用氨燃料可以显著降低硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和颗粒物的排放。虽然氨燃烧过程中可能产生氮氧化物，但这属于燃烧技术层面的挑战，可以通过优化发动机设计、采用先进的排放控制技术（如选择性催化还原，SCR）来解决，其根本性的碳排放问题已不复存在。这种从“末端治理”到“源头控制”的转变，是氨燃料相对于化石燃料最本质、最核心的优势。

国内首台低温无水氨运输车

图片来源：石家庄安瑞科气体机械有限公司

而另一种零碳能源——氢能虽被誉为终极清洁能源，但其大规模、长距离的储存和运输一直是制约其产业化发展的重大瓶颈。氨作为一种高效的储氢介质，为解决这一难题提供了极具前景的解决方案。

氨燃料如何成为新的“工业血液”

目前氨燃料的应用主要依赖于两种核心技术路径：一是通过内燃机直接燃烧，将化学能转化为机械能；二是通过燃料电池技术，将化学能直接转化为电能。这两种技术路径各有侧重，共同构成了氨燃料动力系统的基础。

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氨燃料发动机

氨燃料发动机是目前技术成熟度最高、最接近商业化应用的动力形式，尤其是在船舶等大型装备领域。其核心技术在于如何高效、稳定地实现氨在发动机内的燃烧，并控制有害排放物的生成。

氨在内燃机中的燃烧过程与传统燃料有显著不同。氨的自燃温度较高（约651°C），远高于柴油（约210°C），且其燃烧速度较慢，火焰传播速度低。这些特性使得纯氨在压燃式发动机（如柴油机）中难以实现稳定、高效的燃烧。因此，目前主流的氨燃料发动机技术路线是采用“氨-柴油”双燃料模式。在这种模式下，发动机在启动和低负荷时使用少量柴油作为引燃燃料，利用柴油的高自燃性来点燃氨气；在高负荷时，则主要喷射氨气，柴油仅作为辅助点火源。这种混合燃烧技术既能利用氨的零碳特性，又能保证发动机的可靠运行。

而如今，我国科研团队已攻克纯氨燃料等离子点火技术、纯氨燃料持续燃烧技术等多项关键核心技术，相信在不久的将来，真正零碳排放的纯氨内燃机会得到广泛应用。

12V240H-DFA型氨燃料发动机

图片来源：中车大连机车车辆有限公司

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氨燃料电池

氨燃料电池的工作原理与氢燃料电池类似。其核心是电化学反应，通常涉及氨的分解（裂解）和后续的电化学氧化。一个典型的间接氨燃料电池系统包括一个氨裂解器，将氨分解为氢气和氮气，然后将产生的氢气送入质子交换膜燃料电池（PEMFC）或固体氧化物燃料电池（SOFC）进行发电。在PEMFC中，氢气在阳极被氧化成质子（H⁺）和电子（e⁻），电子通过外电路形成电流，质子则穿过电解质膜到达阴极，与氧气和电子结合生成水。整个过程不涉及燃烧，因此能量转换效率更高，且唯一的产物是水，实现了零排放。直接氨燃料电池则是将氨直接作为燃料送入燃料电池，无需预先裂解，技术难度更高，但系统更简单。

未来，随着催化剂、电解质膜等关键材料的突破，氨燃料电池的效率和寿命将进一步提升，使其在分布式发电、便携式电源和电动交通工具等领域展现出广阔的应用前景。

全国首艘“氨-氢”燃料电池动力环保船2023年在闽江首航

图片来源：央视新闻

氢氨融合

氨燃料的未来发展并非孤立的技术演进，而是与氢能深度耦合，共同构成一个名为“氢氨融合新能源”的宏大体系。这一体系旨在通过氢与氨的相互转化与协同应用，构建一个完整的、可持续的零碳能源产业链。其核心思想是将氢和氨作为互补的能源载体，根据各自的优势在不同应用场景中发挥最大效用，形成一个灵活、高效、安全的零碳能源网络。

赤峰绿色氢氨一体化项目

图片来源：央视新闻

氢气的物理性质决定了其储存和运输的困难。氢气密度极低，在常温常压下，其体积能量密度非常小，这意味着需要将其压缩至极高压力（如350-700bar）或液化至极低温度（-253°C）才能进行高效储运。这不仅需要耗费大量能量，还对储罐材料和安全性提出了极高要求，导致成本高昂。相比之下，氨的物理性质则要“友好”得多。根据中国科学院学部的报告，氨是一种高效的储氢介质，其质量储氢密度高达17.6%。这意味着每100公斤的氨中，含有17.6公斤的氢。更重要的是，氨的液化条件要温和得多，在常压下仅需冷却至-33°C，或在室温下加压至约1兆帕（MPa）即可液化。这种相对容易液化的特性，极大地降低了储存和运输的门槛和成本，使得通过液氨形式进行氢能的长距离、大规模运输成为一种经济可行的方案。

国内首艘氨动力港作拖轮

图片来源：中国科技网

凭借其零碳、高效储运的特性，氨燃料的应用场景极为广泛，覆盖了交通运输、电力生产和工业制造等多个关键领域。近年来，我国对发展氨燃料技术和氢氨融合新能源高度重视，在氨燃料发动机、绿氨生产等领域取得了一系列重要突破，展示了我国在该领域的强大研发实力和产业化潜力。未来，氨燃料有望成为全球实现碳中和目标的关键力量，让我们拭目以待。

参考资料：

https://academics.casad.cas.cn/zlyj/qyjcyp/202507/t20250726_5077856.html

https://www.news.cn/politics/20250628/e5a52396ec1647f4aa2200eb5c2906bf/c.html

https://www.stdaily.com/web/gdxw/2025-12/12/content_446308.html

http://xu.energy.hust.edu.cn/yjfx1/xnygx_gzhly/arsynyhly.htm

https://me.sjtu.edu.cn/tsfx-kjqy/77042.html

作者：蝌蚪君

审核：刘颖 李培元

审核专家：刘闻笛 北京化工大学化学学院副教授