我們習慣于追隨氫燃料汽車帶來的一系列熱點,但是真正去探究產業熱點背后的原因和未來挑戰,可能才是對產業發展的最大推動。
車載供氫系統為燃料電池汽車提供氫源,保障燃料電池汽車安全、可靠、穩定運行,是燃料電池汽車的重要組成部分。目前除了高壓氣瓶供氫方式之外,還有固態儲氫,包括化學氫化物儲氫和物理吸附儲氫;有機液體儲氫;化學制氫,包括鋁粉制氫、甲醇制氫、硼氫化鈉制氫、氨制氫、乙醇制氫等多種供氫方式。對此,我們認為燃料電池汽車對車載供氫系統有多方面的要求。
安全是第一要素
氫氣既是燃料,又是危化品,具有易燃易爆的物理化學特性,所以車載供氫系統的安全性是第一位的。首先滿足GBT 24549-2009 《燃料電池電動汽車 安全要求》,GBT 26990-2011《燃料電池電動汽車 車載氫系統 技術條件》,GBT 29126-2012《燃料電池電動汽車 車載氫系統 試驗方法》,GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》等標準的相關安全要求。車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶必須經過常溫壓力循環試驗 、未爆先漏試驗 、槍擊試驗 、極端溫度壓力循環試驗 、火燒試驗 、加速應力爆破試驗、 跌落試驗等試驗的考核。
如果采用了非高壓氣瓶供氫方式,還需要根據現場具體的制氫供氫的物理化學特性,及相關安全標準,采取相應的有效措施,保障系統的安全。比如說采取甲醇水溶液制氫,就要考慮甲醇水溶液的可燃性風險,并采取相應的安全措施。
滿足燃料電池發動機的多種要求
燃料電池發動機的供氫要求是多方面的,包括以下要求:
第一,氫氣純度要求。燃料電池發動機對氫氣品質要求,可以參照GB/T 37244-2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》的要求。
如果采用了現場制氫供氫的方式,那么氫氣品質的要求就更為重要,氫氣的提純就成為供氫系統中的重要環節。
第二,供氫系統快速啟動。汽車的啟動需要在短時間完成,這就要求供氫系統快速響應,對于高壓氣瓶供氫容易實現,但是對于現場制氫供氫,就會有一定的困難,在動力系統控制上采取用蓄電池供電可以適當的彌補這一問題,但如果啟動時間太久,就不利于使用。
第三,供氫壓力方面。對于高壓氣瓶供氫容易實現,對于現場制氫供氫,如果壓力過低,可以配置氫氣加壓泵來滿足要求。
第四,供氫流量方面。汽車運行時功率的改變,也要求供氫流量跟隨改變,對于高壓氣瓶供氫容易實現,但是對于現場制氫供氫,往往最適合的是穩定的恒流量輸出,增大和減小供氫流量都有困難,如果這個調節范圍太小,那么燃料電池的只能是恒功率發電,在動力系統控制上用蓄電池進行功率調節彌補,適應于增程式技術路線。對于鋁粉制氫,一旦制氫反應開始,就不能停止,流量調節也很困難,反應容器制氫完之后,要除去反應物,而且體積較大,反應物除去之后投放鋁粉,這些情況下停止供氫氣。
第五,供氫溫度方面。對于高壓氣瓶供氫容易符合要求,但是對于現場制氫供氫,往往產生的氫氣溫度偏高,如有機液體儲氫,脫氫時溫度為160℃,低溫燃料電池就不能使用,必須先降溫。
儲氫率和儲氫密度不可太低
儲氫率是供氫系統的儲氫量除以供氫系統的重量百分比,儲氫密度是供氫系統的儲氫量除以供氫系統的體積,這兩者是表征供氫系統的供氫能力的重要技術指標。需要指出的是,它們指的是系統,對于非高壓氣瓶供氫方式,還應該包括儲氫介質、介質容器、反應容器、加熱裝置、冷卻裝置、提純裝置、加壓裝置、控制系統等部件。目前國內廣泛使用的35MPa3型高壓氣瓶,儲氫率是4.5wt%,豐田的是70MPa4型高壓氣瓶,儲氫率是5.7wt%,對于高壓氣瓶供氫系統,重量和體積基本集中在氣瓶上,供氫系統儲氫率和儲氫密度會增大一些。所以對于非高壓氣瓶供氫系統,要從系統上全面考慮,如果僅以材料的儲氫率,代替系統的儲氫率,表面上數值很高,實際上其供氫能力很低,系統重量太重,體積太大,誤導客戶。
保障供氫系統循環壽命
對于高壓氣瓶,循環壽命超過1萬次,使用壽命超過15年。而對于有機液體儲氫,隨著使用次數增加儲氫率會降低。
考量供氫系統的經濟性
包括供氫系統裝置的經濟性、制氫和耗材的經濟性。供氫系統裝置一般會隨著生產批量的增加而降低,而制氫成本和消耗材料的成本卻不會降低多少。
現場制氫往往需要消耗能量,如某種有機液體儲氫,脫氫時消耗能量,折合電能為每公斤氫氣消耗11kWh。
明析不同供氫方式優缺點
對于非高壓氣瓶供氫,需要從系統上全面考慮,除了上述要求之外,還要考慮如制氫工藝的復雜性、制氫材料是否容易獲得、能否適應車載環境,在安全方面,參照高壓氣瓶的部分試驗要求,能否適應。
每一種供氫方式都有突出的優點,但也有不足之處,根據其特點,會有適合使用的地方,如金屬儲氫,雖然儲氫率低,但是安全性好,用在潛艇上燃料電池動力系統非常好;液體有機物儲氫用在大規模儲存運輸上很有優勢。
隨著技術的不斷進步,各種儲氫方式會找到適合自己的應用場合,國內多家機構也在努力嘗試,不排除在局部特定場合替代高壓氣瓶應用于燃料電池汽車,我們期望這種情況能早日到來。