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靳殷实:燃料电池汽车对供氢系统有严格要求

   日期:2019-05-30     来源:中国电池联盟    浏览:1414    评论:0    
我们习惯于追随氢燃料汽车带来的一系列热点,但是真正去探究产业热点背后的原因和未来挑战,可能才是对产业发展的最大推动。

车载供氢系统为燃料电池汽车提供氢源,保障燃料电池汽车安全、可靠、稳定运行,是燃料电池汽车的重要组成部分。目前除了高压气瓶供氢方式之外,还有固态储氢,包括化学氢化物储氢和物理吸附储氢;有机液体储氢;化学制氢,包括铝粉制氢、甲醇制氢、硼氢化钠制氢、氨制氢、乙醇制氢等多种供氢方式。对此,我们认为燃料电池汽车对车载供氢系统有多方面的要求。

安全是第一要素

氢气既是燃料,又是危化品,具有易燃易爆的物理化学特性,所以车载供氢系统的安全性是第一位的。首先满足GBT 24549-2009 《燃料电池电动汽车 安全要求》,GBT 26990-2011《燃料电池电动汽车 车载氢系统 技术条件》,GBT 29126-2012《燃料电池电动汽车 车载氢系统 试验方法》,GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》等标准的相关安全要求。车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶必须经过常温压力循环试验 、未爆先漏试验 、枪击试验 、极端温度压力循环试验 、火烧试验 、加速应力爆破试验、 跌落试验等试验的考核。

如果采用了非高压气瓶供氢方式,还需要根据现场具体的制氢供氢的物理化学特性,及相关安全标准,采取相应的有效措施,保障系统的安全。比如说采取甲醇水溶液制氢,就要考虑甲醇水溶液的可燃性风险,并采取相应的安全措施。

满足燃料电池发动机的多种要求

燃料电池发动机的供氢要求是多方面的,包括以下要求:

第一,氢气纯度要求。燃料电池发动机对氢气品质要求,可以参照GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料 氢气》的要求。

如果采用了现场制氢供氢的方式,那么氢气品质的要求就更为重要,氢气的提纯就成为供氢系统中的重要环节。

第二,供氢系统快速启动。汽车的启动需要在短时间完成,这就要求供氢系统快速响应,对于高压气瓶供氢容易实现,但是对于现场制氢供氢,就会有一定的困难,在动力系统控制上采取用蓄电池供电可以适当的弥补这一问题,但如果启动时间太久,就不利于使用。

第三,供氢压力方面。对于高压气瓶供氢容易实现,对于现场制氢供氢,如果压力过低,可以配置氢气加压泵来满足要求。

第四,供氢流量方面。汽车运行时功率的改变,也要求供氢流量跟随改变,对于高压气瓶供氢容易实现,但是对于现场制氢供氢,往往最适合的是稳定的恒流量输出,增大和减小供氢流量都有困难,如果这个调节范围太小,那么燃料电池的只能是恒功率发电,在动力系统控制上用蓄电池进行功率调节弥补,适应于增程式技术路线。对于铝粉制氢,一旦制氢反应开始,就不能停止,流量调节也很困难,反应容器制氢完之后,要除去反应物,而且体积较大,反应物除去之后投放铝粉,这些情况下停止供氢气。

第五,供氢温度方面。对于高压气瓶供氢容易符合要求,但是对于现场制氢供氢,往往产生的氢气温度偏高,如有机液体储氢,脱氢时温度为160℃,低温燃料电池就不能使用,必须先降温。

储氢率和储氢密度不可太低

储氢率是供氢系统的储氢量除以供氢系统的重量百分比,储氢密度是供氢系统的储氢量除以供氢系统的体积,这两者是表征供氢系统的供氢能力的重要技术指标。需要指出的是,它们指的是系统,对于非高压气瓶供氢方式,还应该包括储氢介质、介质容器、反应容器、加热装置、冷却装置、提纯装置、加压装置、控制系统等部件。目前国内广泛使用的35MPa3型高压气瓶,储氢率是4.5wt%,丰田的是70MPa4型高压气瓶,储氢率是5.7wt%,对于高压气瓶供氢系统,重量和体积基本集中在气瓶上,供氢系统储氢率和储氢密度会增大一些。所以对于非高压气瓶供氢系统,要从系统上全面考虑,如果仅以材料的储氢率,代替系统的储氢率,表面上数值很高,实际上其供氢能力很低,系统重量太重,体积太大,误导客户。

保障供氢系统循环寿命

对于高压气瓶,循环寿命超过1万次,使用寿命超过15年。而对于有机液体储氢,随着使用次数增加储氢率会降低。

考量供氢系统的经济性

包括供氢系统装置的经济性、制氢和耗材的经济性。供氢系统装置一般会随着生产批量的增加而降低,而制氢成本和消耗材料的成本却不会降低多少。

现场制氢往往需要消耗能量,如某种有机液体储氢,脱氢时消耗能量,折合电能为每公斤氢气消耗11kWh。

明析不同供氢方式优缺点

对于非高压气瓶供氢,需要从系统上全面考虑,除了上述要求之外,还要考虑如制氢工艺的复杂性、制氢材料是否容易获得、能否适应车载环境,在安全方面,参照高压气瓶的部分试验要求,能否适应。

每一种供氢方式都有突出的优点,但也有不足之处,根据其特点,会有适合使用的地方,如金属储氢,虽然储氢率低,但是安全性好,用在潜艇上燃料电池动力系统非常好;液体有机物储氢用在大规模储存运输上很有优势。

随着技术的不断进步,各种储氢方式会找到适合自己的应用场合,国内多家机构也在努力尝试,不排除在局部特定场合替代高压气瓶应用于燃料电池汽车,我们期望这种情况能早日到来。 
 

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