车载储氢系统发展现状

车载储氢系统发展现状

燃料电车的商业化有三个瓶颈：燃料电池的成本和耐久性；氢气的来源及相应的基础设施；车载的储氢系统。DOE在修正其目标后，要求到2015年系统的储氢质量达到7.5%，体积储氢密度达到70g/L，旧的目标是5.5%,储氢密度是40g/L[1]，一次加氢后的续航里程要达到300英里（约500公里）。综观目前所有实际可用的车载储氢或制氢技术，包括高压储氢、液氢储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢以及车载甲醇重整制氢装置、汽油重整制氢装置和天然气重整装置，无一能完全满足这些指标。因此，为了推动燃料电池的商业化进程，各个国家，包括政府研究机构和各大汽车公司，都开始对氢源技术系统研究给予高度重视。本文将就燃料电池电动车车载储氢技术的发展现状和存在问题作一介绍和讨论。

1 高压储氢

目前高压氢气罐仍是主流，一般有35Mpa（代表车型：本田FCX Clarity）和70Mpa（丰田FCHV-adv），一般是由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器：铝内胆外面缠绕碳纤维的材料。但这类高压钢瓶的主要缺点是需要较大的体积和如何构筑理想的圆柱形外形; 另外, 还需要解决阀体与容器的接口及快速加氢等关键技术。因此高压压缩储氢容器还需要进一步发展[2]。同时受限于氢气本身的密度，其储氢量很难大幅度的提高。如图1所示，为了达到500公里的一次续航里程，采用70Mpa的储氢压力，其储氢系统要有125kg，体积要达到260L[3]。

图4 丰田FCHV-adv（储氢量达到6.1kg，高压罐分成4个较细的罐，置于后车座下及行李舱底板下）

低温液态储氢

低温液态储氢具有较高的体积能量密度，常温、常压下液氢的密度为气态氢的845倍, 其体积能量密度比压缩储存要高好几倍, 与同一体积的储氢容器相比, 其储氢质量大幅度提高。若仅从质量和体积上考虑, 液氢储存是一种极为理想的储氢方式。但是由于氢气液化要消耗很大的冷却能量, 液化过程所需的能耗约是储存氢气热值的50% , 增加了储氢和用氢成本。另外, 液氢储存容器必须使用超低温用的特殊容器（如下图所示）, 由于液氢储存的装料和绝热不完善, 容易导致较高的蒸发损失, 因而技术复杂、储氢成本高。

图6 F800 Style概念车（四个液态储氢槽在底盘传动轴的左右与后方，共可存放5.2公斤氢燃料）

以下举两个具体的实例：

2.1 宝马7系(Hydrogen 7)氢内燃机车

去年年底，宝马汽车公司宣布将逐渐放弃其在氢内燃机发动机（采用低温液态氢）方面的研究，转而将注意力集中于燃料电池电动汽车的开发。这种储氢系统存在很多的问题。

燃料罐位于后座与尾厢之间，采用双层壁式结构，包括在2 毫米厚的不锈钢板以及内罐和外罐之间30毫米厚的真空超隔热层。这种结构极大地降低了热量传递，中间层可提供相当于约17米厚的styropor（一种聚苯乙烯）的隔热效果。此外，内罐和外罐之间的连接部件采用碳纤维夹层，极大地避免了热量传递。宝马表示，这种隔热技术的效果是在实际应用中前所未有的，举个简单的例子，如果往这种燃料罐中加入煮沸的咖啡，可以保温80天以上，然后才会降到适宜饮用的温度。如此高效的隔热作用可使在3－5巴压力作用下的液态氢长时间保持在约-250°C的恒定温度。即使是微量蒸发的氢气，也会经由蒸发管理系统，以合理的压力并进行净化后才排出。

由于燃料罐中的温度如此低，从燃料罐中汽化的气态氢必须利用来自发动机冷却系统管路的、为此而提供的热量进行预热，然后才能进入燃料混合过程之中。所以, 除了从储气罐到发动机的氢气管道外，增加了一部分附加的发动机冷却回路。冷却液流过一个氢气一冷却液热交换器，将氢加热到大气温度。大部分氢气进入发动机，一小部分氢气流回到液氢储存系统，将它的热量传给液氢后又重新回到流入发动机的氢气主流中。这样能防止行驶过程中因液氢蒸发引起的压力降。

存在的问题：

（1）储存的是-253 摄氏度的液氢，这一压缩过程要消耗所载能量的三分之一，而且

储存的液氢也不稳定，可能只需三个星期就会蒸发一空。

（2）需要在后行李箱位置安装一个氢存储罐，重量达到250公斤，这使Hydrogen 7留给车主的行李空间只有原来的1/3。

（3）需要种种措施防止氢气泄露带来的危险导致车辆的成本难以控制，并且使用者还由此面临种种随之而来的麻烦，比如购买氢动力车之后，不能把它停在密封的车库或地下停车场里，除非车库专门改善通风条件或装上氢气探测器。

2.2奔驰F800 Style概念车

在今年的北京车展上，奔驰首次在亚洲展出其F800 Style概念车。这款车拥有“双模”驱动模式：插电式混合动力驱动和氢燃料电池驱动。在配备插电式混合动力系统情况下，F800 Style概念车百公里耗油仅2.9升，二氧化碳排放量也低至68克/公里，其新一代燃油直喷V6发动机和混合动力模块可共同输出约300千瓦(409马力)的功率，最高时速可达每小时250公里，续航能力达到700公里；在配备F-CELL氢燃料电池动力系统情况下，F800 Style概念车的输出功率可以达到约100千瓦(136马力)，产生近290牛•米的扭矩，最长行驶里程能够达到近600公里，充分满足了日常实用的要求，其燃料电池装置在车头位置。

3 其他储氢方式

以上两种储氢方式是主流的储氢技术，以下介绍几种基于化学储氢的储氢方式，它们中有些在早期已经应用于车载上，可是存在着一定的问题；还有就是一些非常有潜力的储氢方式。

3.1储氢合金储氢

可逆储氢合金储氢的最大优势在于高的体积储氢密度(储氢合金本身的体积储氢密度甚至可达90kgH2/m3)和高度的安全性。这是由于氢在储氢合金中以原子态方式储存的缘故。储氢合金氢燃料箱的主要问题是重量大，这是由于储氢合金本身质量储氢密度偏低[4]。

日本丰田公司于1996年首次将金属氢化物储氢装置用于PEMFC电动车，该装置外形尺寸为700×150×170 mm，长×宽×高)，使用TiMn系BCC储氢合金100kg，储氢量2kg，每次充氢可行驶250km (时速100km／h)。2001年初日本丰田汽车公司宣布开发成功新型燃料电池汽车“FCHV3”，该车最高时速为150km/h，行驶距离在300km以上，也采用储氢合金供氢方式。德国Benz公司和GFE公司、美国氢能公司、加拿大巴拉德公司等也都先后研制出客车、电动铲车、轮椅车和笔记本电脑等用PEMFC储氢器。浙江大学已设计和试制成功1ON1、10ON1、500N1、1000N1直至30Nm3多种容量与款式的燃料电池氢燃料箱，并已广泛试用于各种不同场合，包括汽车、摩托车、助动车、赛车、游艇以及手提电源和备用电